EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO DE CALIDAD DEL AIRE CALIOPE EN ESPAÑA Barcelona Supercomputing Center Mayo del 2014
Portada: Pronóstico de CALIOPE para las concentraciones máximas horarias (1h) en superficie de NO 2 el 4 de diciembre de, correspondiente al episodio de contaminación que afectó a España del 3 al 14 de diciembre. Autores: Redacción: Gustavo Arévalo Supervisión: José María Baldasano y María Teresa Pay Soporte Técnico David Carrió y Kim Serradell, Barcelona Supercomputing Center
Pág.: 1 de 92 ÍNDICE 1. Introducción... 7 2. Configuración del sistema de pronóstico CALIOPE... 9 2.1 Dominios de simulación... 10 2.2 Post proceso de las concentraciones simuladas... 10 2.3 Productos de pronóstico... 10 2.4 Sistema de evaluación operacional... 10 3. Evaluación del pronóstico de calidad del aire... 11 3.1.1 Medidas de calidad del aire en España... 11 3.1.2 Evaluación operacional... 15 3.2 Resumen del comportamiento anual del sistema para el dominio de la Península Ibérica.... 18 3.2.1 Ozono... 18 3.2.2 Dióxido de nitrógeno... 26 3.2.3 Dióxido de azufre... 33 3.2.4 PM 10... 40 3.2.5 PM 2.5... 47 3.2.6 Evaluación frente a objetivos de calidad según la Directiva 2008/50.... 52 3.2.7 Mapas anuales de concentración... 53 3.2.8 Comparativa de resultados estadísticos CALIOPE IP vs... 58 3.3 Resumen del comportamiento anual del sistema para el dominio de las Islas Canarias.... 63 3.3.1 Ozono... 64 3.3.2 Dióxido de nitrógeno... 67 3.3.3 Dióxido de azufre... 69 3.3.4 PM 10... 71 3.3.5 PM 2.5... 73 3.3.6 Mapas anuales de concentración... 75 3.3.7 Comparativa de resultados estadísticos CALIOPE CAN vs... 79 4. Evaluación de la eficacia del sistema de predicción... 83 5. Resumen y conclusiones... 84 6. Referencias... 89 ANEXO I: Fichas de evaluación
Pág.: 2 de 92 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Portal web del proyecto CALIOPE (www.bsc.es/caliope).... 7 Figura 2. Esquema del sistema de pronóstico de la calidad del aire CALIOPE.... 9 Figura 3. Localización y cómputo de las estaciones de calidad del aire disponibles en ordenadas por orden decreciente por CCAA. (a) Número total de estaciones, (b) número de estaciones para O 3, (c) número de estaciones para NO 2, (d) número de estaciones para SO 2, (e) número de estaciones para PM 10 y (f) número de estaciones para PM 2.5. Estaciones rurales (R, en azul), suburbanas (S, en verde) y urbanas (U, en amarillo)... 13 Figura 4. (a) Localización de los focos de los sectores SNAP03 y SNAP04 y de las estaciones de calidad del aire en la Bahía de Algeciras. b) Localización de los focos de emisiones del sector SNAP01 y de las estaciones de medida en noroeste de España. Estaciones rurales(azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo)... 15 Figura 5. Localización de las estaciones de calidad del aire en los dos grandes núcleos urbanos de España: (a) Madrid y (b) Barcelona. Estaciones rurales (azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo)... 15 Figura 6. Porcentaje de estaciones de O 3 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.... 21 Figura 7. Evaluación del O 3 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.... 22 Figura 8. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación urbana de tráfico Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 23 Figura 9. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación urbana de fondo Arturo Soria (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto.... 23 Figura 10. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación urbana tráfico Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 24 Figura 11. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación urbana de tráfico de Badalona (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de... 24 Figura 12. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación suburbana industrial de la Cartuja (Sevilla): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 25 Figura 13. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación suburbana de Fondo Vic Zona Universitaria (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 25 Figura 14. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación suburbana de Fondo Algete (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 26 Figura 15. Porcentaje de estaciones de NO 2 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.... 29 Figura 16. Evaluación del NO 2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.... 30 Figura 17. Series temporales mensuales de NO 2 de mayo a agosto de en la estación urbana Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 31 Figura 18. Series temporales mensuales de NO 2 de mayo a agosto de en la estación urbana fondo de Plaza del Carmen (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 31 Figura 19. Series temporales mensuales de NO 2 de mayo a agosto de en la estación urbana tráfico Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de... 32
Pág.: 3 de 92 Figura 20. Series temporales de NO 2 de mayo a agosto de en la estación urbana tráfico Badalona (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto Dióxido de azufre... 32 Figura 21. Porcentaje de estaciones de SO 2 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.... 36 Figura 22. Evaluación del SO 2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.... 37 Figura 23. Series temporales mensuales de SO 2 de mayo a agosto de en la estación urbana tráfico Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 38 Figura 24. Series temporales mensuales de SO 2 de mayo a agosto de en la estación urbana industrial Campus Carmen (Huelva): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 38 Figura 25. Series temporales mensuales de SO 2 de mayo a agosto de en la estación urbana fondo Algeciras EPS (Andalucía): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto... 39 Figura 26. Localización de las estaciones de calidad del aire con medición de SO 2 y su calificación para el MB en la Bahía de Algeciras. En la figura también se muestran los principales focos de emisión del sector SNAP01 en esta zona. Estaciones rurales (azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo)... 39 Figura 27. Porcentaje de estaciones de PM 10 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.... 43 Figura 28. Evaluación del PM 10 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.... 44 Figura 29. Series temporales mensuales de PM 10 de mayo a agosto de en la estación urbana tráfico Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de... 45 Figura 30. Series temporales mensuales de PM 10 de mayo a agosto de en la estación urbana tráfico Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de... 45 Figura 31. Series temporales mensuales de PM 10 de mayo a agosto de en la estación rural fondo Guadalix Sierra (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de... 46 Figura 32. Series temporales mensuales de PM 10 de mayo a agosto de en la estación rural fondo Sierra Norte (Sevilla): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de... 46 Figura 33. Porcentaje de estaciones de PM 2.5 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.... 49 Figura 34. Evaluación del PM 2.5 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.... 50 Figura 35. Series temporales mensuales de PM 2.5 de mayo a agosto de en la estación urbana tráfico Alcorcón (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de... 51 Figura 36. Series temporales mensuales de PM 2.5 de mayo a agosto de en la estación suburbana industrial Cortijillos (Andalucía): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de... 51 Figura 37. Histograma de frecuencia de ERD para las concentraciones horarias de O 3 (a), máximas diarias 8h de O 3 (b) y horarias de NO 2 (c) y PM 10 (d), en función del entorno (izquierda) y la emisión (centro). Porcentaje total de estaciones en cada rango del histograma (derecha).... 52 Figura 38. Concentración de O 3 media (abril septiembre) pronosticada por el sistema CALIOPE en el.... 54 Figura 39. Concentración media anual de NO 2 pronosticada por el sistema CALIOPE en el.... 55 Figura 40. Concentración media anual de SO 2 pronosticada por el sistema CALIOPE en el.... 56
Pág.: 4 de 92 Figura 41. Concentración media anual de PM 10 pronosticada por el sistema CALIOPE en el.... 57 Figura 42. Concentración media anual de PM 2.5 pronosticada por el sistema CALIOPE en el. (a) CMAQ 5.0.1 (b) CMAQ 5.0.1 + BSC DREAM8bv2... 59 Figura 43. Red de estaciones de calidad del aire del archipiélago de Canarias. Estaciones rurales (R, en azul), suburbanas (S, en verde) y urbanas (U, en amarillo)... 64 Figura 44. Estaciones de O 3 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE CAN (ver Tabla 4).. 65 Figura 45. Evaluación del O 3 horario en las estaciones RedESP disponibles de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio... 66 Figura 46. Estaciones de NO 2 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE CAN (ver Tabla 4) 67 Figura 47. Evaluación del NO 2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio... 68 Figura 48. Estaciones de SO 2 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE CAN (ver Tabla 4).69 Figura 49. Evaluación del SO 2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio... 70 Figura 50. Estaciones de PM 10 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE CAN (Tabla 4)... 71 Figura 51. Evaluación del PM 10 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio... 72 Figura 52. Estaciones de PM 2.5 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE CAN (Tabla 4)... 73 Figura 53. Evaluación del PM 2.5 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio... 74 Figura 54. Concentración de O 3 media (abril septiembre) pronosticada por el sistema CALIOPE CAN en el.... 75 Figura 55. Concentración media anual de NO 2 (arriba) y SO 2 (abajo) pronosticada por el sistema CALIOPE CAN en el.... 76 Figura 56. Concentración media anual de PM 10 pronosticada por el sistema CALIOPE CAN en el. (a) CMAQ 5.0.1) y (b) CMAQ 5.0.1+BSC DREAM8bv2... 77 Figura 57. Concentración media anual de PM 2.5 pronosticada por el sistema CALIOPE CAN en el. (a) CMAQ 5.0.1) y (b) CMAQ 5.0.1+BSC DREAM8bv2... 78
Pág.: 5 de 92 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Estudios de CALIOPE publicados en revistas internacionales y otros.... 8 Tabla 2. Histórico de la configuración del sistema CALIOPE para el dominio de la Península Ibérica... 11 Tabla 3. Descripción de los estadísticos utilizados para la evaluación... 16 Tabla 4. Criterios de calidad para la evaluación del sistema CALIOPE definidos en función de parámetros estadísticos (coeficiente de correlación, r; bias medio, Bias; error cuadrático medio, RMSE) teniendo en cuenta estudios y resultados previos.... 17 Tabla 5. Estadísticos anuales de CALIOPE frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de O 3 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 18 Tabla 6. Series temporales de O 3 seleccionadas como ejemplo para el año.... 20 Tabla 7. Estadísticos anuales de CALIOPE frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de NO 2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 26 Tabla 8. Series temporales de NO 2 seleccionadas como ejemplo para el año.... 28 Tabla 9. Estadísticos anuales de CALIOPE frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de SO 2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 33 Tabla 10. Series temporales de SO 2 seleccionadas como ejemplo para el año 2012.... 35 Tabla 11. Estadísticos anuales de CALIOPE frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de PM 10 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 40 Tabla 12. Series temporales de PM 10 seleccionadas como ejemplo para el año.... 42 Tabla 13. Estadísticos anuales de CALIOPE frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de PM 2.5 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 47 Tabla 14. Series temporales de PM 2.5 seleccionadas como ejemplo para el año.... 48 Tabla 15. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE IP vs, para el ozono... 60 Tabla 16. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE IP vs, para el dióxido de nitrógeno... 61 Tabla 17. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE IP vs, para el dióxido de azufre... 61 Tabla 18. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE IP vs para PM 10 62 Tabla 19. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE IP vs, para PM 2.5... 63 Tabla 20. Estadísticos anuales de CALIOPE CAN frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de O 3 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 64 Tabla 21. Estadísticos anuales de CALIOPE CAN frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de NO 2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS,
Pág.: 6 de 92 media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 67 Tabla 22. Estadísticos anuales de CALIOPE CAN frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de SO 2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 69 Tabla 23. Estadísticos anuales de CALIOPE CAN frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de PM 10 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 71 Tabla 24. Estadísticos anuales de CALIOPE CAN frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de PM 2.5 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3.... 73 Tabla 25. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE CAN vs, para el ozono... 80 Tabla 26. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE CAN vs, para el dióxido de nitrógeno... 80 Tabla 27. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE CAN vs, para el dióxido de azufre... 81 Tabla 28. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE CAN vs, para PM 10... 82 Tabla 29. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE CAN vs, para PM 2.5... 82 Tabla 30. Porcentaje de la eficiencia técnica del sistema de pronóstico CALIOPE.... 83 Tabla 31. Porcentaje de días pronosticados correctamente desde 20090101 a 20140505 para los dominios de trabajo en función de cada modelo que integra el sistema CALIOPE.... 83 Tabla 32. Estadísticos anuales de CALIOPE para la Península Ibérica por contaminante. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; r, media de coeficientes de correlación; Bias, bias medio en µg m 3 ; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3. Criterios de calidad definidos en Tabla 4: Muy Bueno (MB) y Bueno (B).... 85 Tabla 33. Estadísticos anuales de CALIOPE CAN para las Islas Canarias por contaminante. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; r, media de coeficientes de correlación; Bias, bias medio en µg m 3 ; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3. Criterios de calidad definidos en Tabla 4: Muy Bueno (MB) y Bueno (B).... 87
Pág.: 7 de 92 1. INTRODUCCIÓN El sistema de pronóstico de la CALIdad del aire Operacional Para España (CALIOPE) del del Barcelona Supercomputing Center Centro Nacional de Supercomputación (BSC CNS), proporciona de forma operacional el pronóstico de la calidad del aire para Europa y España a alta resolución espacial y temporal a través del conjunto de modelos HERMES, WRF ARW, CMAQ y BSC DREAM8b y ejecutados en el superordenador MareNostrum. El sistema ha sido financiado por el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (441/2006/3 12.1, A357/2007/2 12.1 y 157/PC 08/3 12.0). La Figura 1 presenta el aspecto del portal web del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE (www.bsc.es/caliope). Figura 1. Portal web del proyecto CALIOPE (www.bsc.es/caliope). El sistema CALIOPE, proporciona pronósticos de calidad del aire a 24 y 48 horas, con resolución temporal de 1h, para Europa y España con una resolución horizontal de 12 km x 12 km y 4 km x 4 km, respectivamente, con anidamientos sobre las comunidades autónomas de Canarias a 2 km x 2 km y Cataluña, Madrid y Andalucía a 1 km x 1 km (Figura 1, www.bsc.es/caliope). CALIOPE proporciona la concentración horaria en superficie de O 3, NO x, CO, SO 2, PM 10, PM 2.5 y benceno. El sistema CALIOPE es una herramienta orientada a los gestores de la calidad del aire y a los ciudadanos, en general, que permite conocer con antelación los niveles de la
Pág.: 8 de 92 calidad del aire y su dinámica a nivel europeo y español. El sistema funciona operacionalmente desde septiembre del año 2007. El sistema CALIOPE para España incluye un proceso de corrección del bias de las concentraciones pronosticadas basado en el filtro de Kalman (Sicardi et al, 2012). Además, consta de un módulo de evaluación en tiempo real, en inglés denominado Near Real Time (NRT), que permite el cálculo de diferentes estadísticos a partir de las medidas de más de 400 estaciones de calidad del aire. Del mismo modo, se evalúa en continuo el funcionamiento del modelo meteorológico, y el perfil vertical de ozono. Además del sistema de evaluación en NRT, el sistema se ha evaluado en modo diagnóstico, con base en año 2004, en diferentes estudios publicados durante los últimos años y en modo pronóstico con base en los años 2009,, y (Tabla 1). Tabla 1. Estudios de CALIOPE publicados en revistas internacionales y otros. Dominio Modo Referencia Año Resolución evaluado horizontal Europa Diagnóstico Pay et al. (2010, 2012a) 2004 12 km x 12 km Diagnóstico Basart et al. (2012a) 2004 12 km x 12 km Portugal Pronóstico Borrego et al. () 2010 4 km x 4 km España Diagnóstico Baldasano et al. () 2004 4 km x 4 km Diagnóstico Pay et al. (, 2012b) 2004 4 km x 4 km Diagnóstico Sicardi et al. (2012) 2004 4 km x 4 km Pronóstico Pay et al. (2012c) 4 km x 4 km Diagnóstico Gonçalves et al. (2012) 2004 4 km x 4 km Barcelona Diagnóstico Gonçalves et al. (2009) 2004 1 km x 1 km Pronóstico Pay et al. (2014) 1 km x 1 km, 4 km x 4 km Madrid Diagnóstico Gonçalves et al. (2009) 2004 1 km x 1 km Pronóstico Pay et al. (2014) 1 km x 1 km, 4 km x 4 km Andalucía Pronóstico Pay et al. (2014) 1 km x 1 km, 4 km x 4 km Cataluña Diagnóstico Jiménez et al. (2008) 2006 24 km x 24 km Pronóstico Aguilera et. al () 2007/2008 4 km x 4 km El objetivo de este documento es evaluar el funcionamiento del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE para el año desde un doble punto de vista. Primero, mostrar la calidad de los pronósticos de calidad del aire en base a diferentes criterios de calidad utilizando medidas en superficie. Por último, mostrar la eficacia del sistema como infraestructura informática. La sección 2 de este documento describe las principales características del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en cuanto a su configuración y productos que proporciona como herramienta de pronóstico. La sección 3 presenta la metodología de evaluación el sistema desde el punto de vista de la calidad de los pronósticos de calidad del aire y los principales resultados. La sección 4 presenta un análisis de la eficiencia del sistema de predicción, para la Península Ibérica y para las Islas Canarias. La sección 5 resume los principales resultados y conclusiones de este informe.
Pág.: 9 de 92 2. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO CALIOPE El sistema integra los siguientes modelos WRF ARW/HERMES/CMAQ/BSC DREAM8b (Figura 2). El modelo WRF ARW v3.5 proporciona la información meteorológica (www.wrf model.org). Las emisiones se derivan del modelo HERMESv2 (High Elective Resolution Modelling Emission System) (Guevara et. al 2012). CMAQ v5.0.1 es el modelo de transporte químico usado para la dispersión y transformación de los contaminantes (www.cmaq model.org). El sistema también considera la contribución de polvo natural y su aportación al material particulado (PM) a partir del modelo BSC DREAM8bv2 (Pérez et al 2006a, 2006b; Basart et al. 2012b). Figura 2. Esquema del sistema de pronóstico de la calidad del aire CALIOPE. Una de las componentes más importantes en un modelo de calidad del aire son las emisiones. En CALIOPE se ha desarrollado un modelo específico de emisiones bottomup para España, el modelo HERMES v2.0 (Guervara et al., ). HERMES gestiona sus bases de datos en un entorno SIG y la parte de cálculo está programada en C++. El modelo calcula las emisiones de gases y material particulado, considerando tanto emisiones antropogénicas (tráfico rodado incluida la resuspensión, marítimo y aéreo en puertos y aeropuertos, sector industrial, generación eléctrica, y sector doméstico y comercial) como biogénicas. Los cálculos se realizan en base horaria, desde una resolución espacial de 1 km x 1 km, y con base informativa de los años 2009 y 2010.
Pág.: 10 de 92 2.1 Dominios de simulación CALIOPE utiliza como dominio inicial Europa (12 km x 12 km), denominado dominio madre. Posteriormente, realiza anidamientos en Península Ibérica (4 km x 4 km), y alta resolución en las Islas Canarias (2 km x 2 km) y las comunidades autónomas de Andalucía, Cataluña y Madrid a (1 km x 1 km). 2.2 Post proceso de las concentraciones simuladas Se utiliza la técnica del filtro de Kalman para corregir los bias sistemáticos en las concentraciones modeladas en superficie de O 3, NO 2, PM 10 y PM 2.5 a partir de la observaciones en las estaciones de RedESP, como se describe en Borrego et al. () y Sicardi et al. (2012). 2.3 Productos de pronóstico El sistema CALIOPE proporciona pronósticos de calidad del aire para España a 24 horas (D0) y 48 horas (D1) para los principales contaminantes (O 3, NO x, CO, SO 2, PM 10, PM 2.5 y desde el benceno) en base horaria. La información se divulgada a través de la página web (www.bsc.es/caliope) mediante mapas de concentración en superficie en formato *.gif (cada 6 horas, máximos D0, máximos D1 y animaciones) sobre la Península Ibérica y sobre las comunidades autónomas a modo de zoom. Los mapas de concentración animados, para los pronósticos a 24 y 48h en resolución horaria, también están disponibles en formato *.kmz para visualizarlos con Google Earth. Esto es una herramienta útil para cruzar los pronósticos de calidad del aire con otras fuentes de información georeferenciadas. También está disponible un archivo a través del cual se puede acceder al histórico de las predicciones horarias desde febrero del 2007. 2.4 Sistema de evaluación operacional El sistema CALIOPE cuenta con un módulo de evaluación que funciona en modo operacional, el cual compara los resultados del modelo en superficie con datos medidos hora a hora en sobre estaciones pertenecientes a la RedESP. Esta aplicación permite al usuario conocer en tiempo casi real la fiabilidad del sistema (www.bsc.es/caliope/evaluacion). El sistema CALIOPE genera de manera operativa desde el 2009, los siguientes productos de evaluación al acceder a cada estación: Series temporales quincenales para cada contaminante. Series temporales mensuales para cada contaminante. Fichas de evaluación anual acumulada. Esta ficha proporciona un análisis integrado de la evaluación por estación, en la cual se incluyen el O 3, NO 2, SO 2,
Pág.: 11 de 92 PM 10 y PM 2.5. Es una ficha dinámica, pues se va actualizando semanalmente de manera operativa (desde el ). La descripción detallada de las ficha de evaluación se incluye en el Anexo I, junto a cual se adjuntan las fichas de evaluación de todas la estaciones utilizadas en la evaluación. En la Tabla 2 se recoge la configuración del sistema CALIOPE para el dominio de la Península Ibérica, desde junio del 2007, momento en que se comenzó a generar el pronóstico de forma operacional. Tabla 2. Histórico de la configuración del sistema CALIOPE para el dominio de la Península Ibérica Versión Emisiones* Condiciones de Fecha Meteo CALIOPE UE PI contorno Química Polvo Cv1 fcst Desde 2007 06 WRF ARW v2.2.1 HERMES 2004 Sintéticas (6) DREAM Desde 2009 06 HERMES 2004 (EMEP, 2004) (EMEP, 2004) LMDz INCA diario Desde 02 11 WRF ARW v3.0.1.1 Filtro de Kalman* Cv2 fcst Cv3 fcst Desde 02 28 Desde 05 03 WRF ARW v3.2.1 Desde 2012 03 12 Desde 2012 06 22 WRF ARW v3.3.1 Desde 2012 08 14 Desde 2012 09 17 WRF ARW v3.5 Desde 02 08 WRF ARW v3.2.1 Desde 08 30 WRF ARW v3.5 Desde 2014 03 14 HERMES 2004+ EMEP (2008) HERMES 2004+ EMEP (2009) Incluye MEGAN HERMES_DIS v.2.0 EMEP (2008) HERMES _DIS v2.1 EMEP (2009) Incluye MEGAN HERMESv2 + EMEP (2009) HERMESv2 + EMEP () LMDz INCA media mensual 2004 NCAR MOZART 4/GEOS 5 (6h) CMAQ v4.5 CMAQ v5.0.1 BSC DREAM8b BSC DREAM8b v2 NO 2, PM 10 y PM 2.5 (Para O 3 está aplicado desde 15 jun 2010) 3. EVALUACIÓN DEL PRONÓSTICO DE CALIDAD DEL AIRE En este apartado se analizan los resultados de la evaluación de sistema CALIOPE en el año, considerando la aplicación del filtro de Kalman en postproceso, utilizando la red española de la calidad del aire RedESP. Metodología de evaluación de los pronósticos de calidad del aire 3.1.1 Medidas de calidad del aire en España Para la evaluación operacional de los pronósticos de calidad del aire del sistema CALIOPE durante el en el dominio de España se han utilizado los valores de las estaciones de medida disponibles de la red española de calidad del aire (RedESP), gestionadas por cada comunidad autónoma. La evaluación se realiza para los contaminantes O 3, NO 2, SO 2, PM 10 y PM 2.5, para las cuales se dispone de una completa red de estaciones y medidas. En el caso del benceno, solo se dispone de observaciones
Pág.: 12 de 92 para 22 estaciones y la mitad está en la Comunidad de Madrid, por tanto no ha sido evaluado. La Figura 3a representa la localización de las 443 estaciones que durante el enviaron datos de manera operativa para la evaluación del sistema, de estas el 45% son estaciones urbanas, el 29% estaciones suburbanas y el 26% son estaciones rurales. Respecto al año, se ha incrementado el número de estaciones con observaciones de 344 a 443 estaciones, especialmente en las comunidades, en Castilla y León (de 1 a 18), Extremadura (de 1 a 7), País Vasco (de 32 a 44), La Rioja (de 0 a 5) y en menor medida Castilla La Mancha (de 10 a 14), además se considera el dominio de las Islas Canarias dentro de la evaluación con 33 estaciones, aunque su tratamiento se hará de forma independiente. Las instituciones que proporcionaron estos datos son: 1. European Enviromental Agency (EEA) 2. Generalitat de Catalunya 3. Gobierno de Cantabria 4. Junta de Andalucía 5. Gobierno de Canarias 6. Comunidad de Madrid 7. Ayuntamiento de Madrid 8. Govern de les Illes Balears 9. Xunta de Galicia 10. Gobierno de La Rioja 11. Gobierno Extremadura 12. Junta de Castilla y León 13. Junta de Castilla La Mancha Por contaminante, el número total de estaciones disponible es el siguiente (Figura 3): 309 estaciones de O 3 : 43% urbanas, 29% suburbanas y 28% rurales. 370 estaciones de NO 2 : 48% urbanas, 29% suburbanas y 23% rurales. 278 estaciones de SO 2 : 48% urbanas, 29% suburbanas y 23% rurales. 229 estaciones de PM 10 : 49% urbanas, 29% suburbanas y 22% rurales. 69 estaciones de PM 2.5 : 45% urbanas, 32% suburbanas y 23% rurales. El NO 2 es el contaminante con mayor cantidad de estaciones de medida con 370 y el contaminante con menos estaciones es el PM 2.5 con 69 concentradas mayoritariamente en Andalucía y Canarias, siendo principalmente estaciones suburbanas en un 45%. Los contaminantes NO 2, SO 2 y PM 10 comparten aproximadamente la misma distribución por tipo de estación, con un 48% de estaciones urbanas, un 29% de estaciones suburbanas y un 23% de estaciones rurales. El contaminante con mayor porcentaje de estaciones rurales es el O 3 con un 28%, manteniendo la misma proporción que los anteriores para las estaciones suburbanas con 29%. En cuanto a la cobertura espacial, las comunidades autónomas más densamente pobladas Andalucía, Cataluña, Madrid y Comunidad Valenciana, pero que ocupan el 15% del territorio y concentran cerca del 6 de la población española (INE ) presentan el mayor número de estaciones de medida (84, 80, 47 y 47,
Pág.: 13 de 92 respectivamente). Por el contrario, la comunidades autónomas con menor densidad de población Castilla y León, Castilla La Mancha, Aragón y Extremadura que comprenden el 52% del territorio y albergan el 15% de la población (INE ) presentan el menor número de estaciones (18, 14, 6 y 7, respectivamente). a) Total= 443, Urbanas=116, Suburbanas=127 y Rural=200 Número total de estaciones de la RedEsp b) Total= 309, Urbanas=133, Suburbanas=91 y Rural=85 Número de estaciones de O 3 Figura 3. Localización y cómputo de las estaciones de calidad del aire disponibles en ordenadas por orden decreciente por CCAA. (a) Número total de estaciones, (b) número de estaciones para O 3, (c) número de estaciones para NO 2, (d) número de estaciones para SO 2, (e) número de estaciones para PM 10 y (f) número de estaciones para PM 2.5. Estaciones rurales (R, en azul), suburbanas (S, en verde) y urbanas (U, en amarillo) c) Total= 370, Urbanas=178, Suburbanas=108 y Rural=84 Número de estaciones de NO 2
Pág.: 14 de 92 d) Total= 278, Urbanas=133, Suburbanas=81 y Rural=64 Número de estaciones de SO 2 e) Total= 229, Urbanas=112, Suburbanas=66 y Rural=51 Número de estaciones de PM 10 f) Total= 69, Urbanas=31, Suburbanas=22 y Rural=16 Número de estaciones de PM 2.5 Figura 3. Continuación. La disponibilidad de estaciones entorno a la principales zonas industriales en España presenta una buena cobertura en el área de la costa Mediterránea, valle del río Ebro y Guadalquivir y Gibraltar (Figura 4a). Sin embargo, la zona de noroeste español que comprende las provincias de Asturias y León, una de las zonas más importantes de concentración de centrales térmicas en España no queda suficientemente cubierta por las estaciones de medida (Figura 4b).
Pág.: 15 de 92 a) b) Figura 4. (a) Localización de los focos de los sectores SNAP03 y SNAP04 y de las estaciones de calidad del aire en la Bahía de Algeciras. b) Localización de los focos de emisiones del sector SNAP01 y de las estaciones de medida en noroeste de España. Estaciones rurales(azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo) En las áreas urbanas de Madrid y Barcelona, se concentran gran parte de las estaciones de calidad del aire, ver Figura 5, donde obviamente, las estaciones presentes son principalmente de tipo urbano y de éstas en su mayoría de tráfico y de fondo. a) b) Figura 5. Localización de las estaciones de calidad del aire en los dos grandes núcleos urbanos de España: (a) Madrid y (b) Barcelona. Estaciones rurales (azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo) 3.1.2 Evaluación operacional Para la evaluación del sistema CALIOPE en el año utilizaremos los productos que se generan de manera operativa, ver apartado 2.4 y http://www.bsc.es/caliope/evaluacion.
Pág.: 16 de 92 En una primera parte se muestra la evaluación para el dominio IP con resolución de 4 km x 4 km, y en la segunda parte la evaluación para el dominio de las Islas Canarias con resolución 2 km x 2 km. En función del dominio, para evaluar de manera global el rendimiento anual del sistema CALIOPE se han definido unos criterios de calidad con base a los estadísticos siguientes: coeficiente de correlación (r), bias medio (MB) y error cuadrático medio (RMSE). Descripción de los parámetros estadísticos utilizados para la evaluación se muestran en la siguiente Tabla. Tabla 3. Descripción de los estadísticos utilizados para la evaluación Parámetro estadístico Coeficiente de correlación (r) Bias medio (MB) r N i 1 N i 1 ( C ( C i m Fórmula i m MB C _ C ) m N i 1 _ 2 m C )( C N i o i 1 C i m N ( C i o _ C ) i o o _ C ) o 2 Error cuadrático medio (RMSE) RMSE N i 1 C i m C N i 2 o Donde, i C m es la concentración pronosticada para la hora i, C m es el valor promedio modelado i durante el periodo N, C o es la concentración observada para la hora i, y promedio observado durante el periodo N. C o es el valor La determinación del rango correspondiente a cada métrica se ha determinando a partir de varias fuentes de información ya publicadas (Pay et al.,2010, 2012c; Baldasano et al.,). Los criterios de calidad propuestos (Tabla 4) son función del contaminante y clasifican el comportamiento del modelo en 5 clases: Muy bueno (MB) Bueno (B) Aceptable (A) Malo (M) Muy Malo (MM)
Pág.: 17 de 92 Tabla 4. Criterios de calidad para la evaluación del sistema CALIOPE definidos en función de parámetros estadísticos (coeficiente de correlación, r; bias medio, Bias; error cuadrático medio, RMSE) teniendo en cuenta estudios y resultados previos. Contaminante Bias r RMSE (µg/m 3 ) (µg/m 3 ) MB = 0* r = 1* RMSE = 0* O 3 Muy Bueno (MB) MB < 5 r > 0.70 RMSE < 10 Bueno (B) 5 MB < 10 0.50 < r 0.70 10 RMSE < 20 Aceptable (A) 10 MB < 20 0.30 < r 0.50 20 RMSE < 30 Malo (M) 20 MB < 30 0.10 < r 0.30 30 RMSE < 40 Muy Malo (MM) MB 30 r 0.10 RMSE 30 NO 2 Muy Bueno (MB) MB < 5 r > 0.60 RMSE < 5 Bueno (B) 5 MB < 10 0.40 < r 0.60 5 RMSE < 15 Aceptable (A) 10 MB < 20 0.20 < r 0.40 15 RMSE < 25 Malo (M) 20 MB < 30 0.10 < r 0.20 25 RMSE < 35 Muy Malo (MM) MB 30 r 0.10 RMSE 35 SO 2 Muy Bueno MB < 3 r > 0.40 RMSE < 5 Bueno (B) 3 MB < 5 0.30 < r 0.40 5 RMSE < 15 Aceptable (A) 5 MB < 10 0.20 < r 0.30 15 RMSE < 25 Malo (M) 10 MB < 20 0.10 < r 0.20 25 RMSE < 35 Muy Malo (MM) MB 20 r 0.10 RMSE 35 PM 10 Muy Bueno MB < 10 r > 0.55 RMSE < 10 Bueno (B) 10 MB < 15 0.40 < r 0.55 10 RMSE < 15 Aceptable (A) 15 MB < 20 0.25 < r 0.40 15 RMSE < 20 Malo (M) 20 MB < 30 0.10 < r 0.25 20 RMSE < 30 Muy Malo (MM) MB 30 r 0.10 RMSE 30 PM 2.5 Muy Bueno MB < 5 r > 0.55 RMSE < 5 Bueno (B) 5 MB < 10 0.40 < r 0.55 5 RMSE < 15 Aceptable (A) 10 MB < 20 0.25 < r 0.40 15 RMSE < 25 Malo (M) 20 MB < 30 0.10 < r 0.25 25 RMSE < 35 Muy Malo (MM) MB 30 r 0.10 RMSE 35 (*) valor ideal
Pág.: 18 de 92 3.2 Resumen del comportamiento anual del sistema para el dominio de la Península Ibérica. 3.2.1 Ozono La evaluación del O 3 en términos estadísticos se resume en la Tabla 5. Cuantitativamente los bias medios se encuentran ~1 µgm 3 y los errores cuadráticos medios ~21 µgm 3. Por área, las estaciones rurales presentan los menores bias y errores ( 0.9 µgm 3 y 19.2 µgm 3, respectivamente) coincidiendo con las mayores medias anuales (observadas y modeladas) entre su categoría (~69 µgm 3 ). Por emisión, las estaciones de fondo también presentan los menores bias y errores (0.52 µgm 3 y 20.8 µgm 3, respectivamente) coincidiendo con las mayores medias anuales entre su categoría (~61 µgm 3 ). Tabla 5. Estadísticos anuales de CALIOPE frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de O 3 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3. #estaciones OBS MOD Bias r RMSE Todas 302 58.4 59.2 0.87 0.66 21.1 Área Urbana 125 52.5 53.7 1.21 0.66 21.6 Suburbana 92 56.3 58.3 2.02 0.65 21.9 Rural 85 69.3 68.4 0.90 0.65 19.3 Emisión Tráfico 47 46.8 48.9 2.14 0.63 21.3 Industrial 59 59.8 60.8 0.99 0.66 21.8 Fondo 196 60.7 61.3 0.52 0.67 20.8 La evaluación de CALIOPE teniendo en cuenta los criterios de calidad definidos en la Tabla 4 se muestran gráficamente en la Figura 6 en funcion del tipo de estación y se discuten a continuación. La evaluación de todas las estaciones revela que: En términos de Bias: el 88% de las estaciones presentan un comportamiento Muy Bueno, con un sesgo medio anual de ± 5 µgm 3 en las concentraciones horarias de O 3. En términos de r: el 35% de las estaciones presentan un comportamiento Muy Bueno (r > 0.70) y un 51% Bueno (0.50 < r < 0.70). En términos de RMSE: el 46% de las estaciones presentan un comportamiento Bueno (10 µgm 3 RMSE < 20 µgm 3 ) y un 52% Aceptable (20 µgm 3 RMSE < 30 µgm 3 ).
Pág.: 19 de 92 En función del área, la evaluación indica que los mejores resultados se obtienen en estaciones rurales: 93% de estaciones Muy buenas en términos de Bias ( Bias < 5 µgm 3 ). 39% de estaciones Muy buenas en términos de r (r > 0.70). 66% de estaciones Buenas en términos de RMSE (10 µgm 3 RMSE< 20 µgm 3 ). En función de la emisión, la evaluación muestra que las mejores resultados se obtienen en estaciones de fondo: 9 de estaciones Muy buenas en términos de Bias ( Bias < 5 µgm 3 ). 35% de estaciones Muy buenas en términos de r (r > 0.70). 48% de estaciones Buenas en términos de RMSE (10 µgm 3 RMSE< 20 µgm 3 ). La evaluación espacial de CALIOPE teniendo en cuenta los criterios de calidad definidos en la Tabla 4 se muestran gráficamente en la Figura 7: En función del Bias (Figura 7a) hay una distribución homogenea de las estaciones con un comportamiento Muy bueno en toda España. Los casos con comportamiento Aceptable o Malo, se concentran en el País Vasco coincidiendo con estaciones con una cobertura temporal baja como Basauri (7.4%), Selaieta Parque (24%), Montorra (23%). En función de r (Figura 7b) hay una distribución homogenea de las estaciones con un comportamiento Muy bueno en la Comunidad de Madrid y alrededores, así como en el levante español (Murcia y Comunidad Valenciana). El comportamiento Bueno predomina en las estaciones de norte de España (Galicia y Cantabria) y las estaciones industriales de Andalucía (Bahía de Algeciras y zona industrial de Huelva). Las estaciones con un comportamiento Aceptable se concentran en el País Vasco, al igual que las estaciones con un comportamiento Malo o Muy Malo, coincidiendo con la zona donde las estaciones tienen la menor cobertura temporal de las observaciones < 24%. En función del RMSE (Figura 7c), en el que predomina las estaciones con un comportamiento Bueno y Aceptable. En el área de Madrid es donde mayoritariamente se observa un comportamiento Bueno, mientra que en el área de Barcelona y el País Vasco, predomina un comportamiento Aceptable. A continuación, se muestran unos ejemplos de series temporales mensuales observación modelo de mayo a agosto extraídas directamente de la web del sistema CALIOPE. La Tabla 6 indica las características de las series temporales seleccionadas. Las series temporales mensuales de la estación de medida Escuelas Aguirre (Figura 8) muentran un buen comportamiento de sistema CALIOPE para predecir las concentraciones horarias de O 3 en superficie. CALIOPE reproduce la alta variabilidad diaria propia de una estación urbana de tráfico (máximos diurnos y mínimos nocturnos), sin embargo tiende a subestimar algunos picos. Es una estación que está clasificada como Muy Buena en terminos de Bias y r, y Buena en términos de RMSE. (Anexo I, pag 330).
Pág.: 20 de 92 Otra estación urbana de fondo del núcleo urbano de Madrid con buen comportamiento es la estación de Arturo Soria (Figura 9). Igual que Escuelas Aguirre, la estación presenta un ciclo diario de O 3 muy marcado que els sistema CALIOPE es capaz de pronosticar. Es una estación que está clasificada como Muy buena en terminos de Bias y r, y Buena en términos de RMSE. (Anexo I, pag 323). El comportamiento del sistema CALIOPE en el núcleo urbano de Barcelona se muestra en la estación de tráfico de Eixample (Figura 10). El sistema CALIOPE reproduce el ciclo diario de O 3 en esta estación, con minimos nocturnos bajos (<10 µg m 3 ). Se puede ver en estas gráficas que esporadicamente se presentaron superaciones de los valores límite (los días 10/06, 11/07 y 05/08) que el modelo no reprodujo, pero en general es una estación que está clasificada como Muy buena en términos de Bias, y Buena en términos de r, y Aceptable en términos de RMSE. (Anexo I, pag 214). Otro ejemplo de estación de tráfico en el núcleo urbano de Barcelona es la estación de Badalona (Figura 11). CALIOPE pronostica correctamente las concentraciones de O 3 horarias, aunque le cuesta reproducir los máximos. Es una estación que está clasificada como Muy buena en términos de Bias y r, y Aceptable en términos de RMSE. (Anexo I, pag 211). También se muestra un ejemplo del comportamiento del sistema de pronóstico CALIOPE para O 3 en un entorno suburbano industrial, se trata de la estación Cartuja (Sevilla) (Figura 12). En general CALIOPE pronostica bien las concentraciones de O 3 horarias, pero al contrario de lo que pasa en las estaciones urbanas, al sistema le cuesta reproducir las concentraciones mínimas, y puntualmente sobrestima los máximos. Es una estación que está clasificada como Muy buena en términos de Bias y r, y Buena en términos de RMSE. (Anexo I, pag 24). Se puede ver claramente el efecto del transporte químico y la formación de O 3 en algunas estaciones localizadas a sotavento de grandes urbes, como son la estación de Vic zona universitaria (Figura 13) y la estación de Algete (Figura 14), ambas estaciones son suburbana de fondo y están afectadas continuamente por los penachos urbanos de Barcelona y Madrid, respectivamente. En el caso de la estación de Vic se observa un marcado ciclo díario, alzando su pico en verano hacia las 15 16 UTC, (17 18 hora local), cuando llega la mayor masa de éste contaminante (NO, NO 2, COVs) a través de la plana de Vic, procedente de Barcelona. Tabla 6. Series temporales de O 3 seleccionadas como ejemplo para el año. Estación Provincia Tipo Criterios r Criterios Bias Criterios RMSE Figura # Escuelas Aguirre Madrid UT MB MB B Figura 8 Arturo Soria Madrid UT MB MB B Figura 9 Eixample Barcelona UT B MB A Figura 10 Badalona Barcelona UT MB MB A Figura 11 Cartuja Sevilla SI MB MB B Figura 12 Vic (Zona universitaria) Barcelona SF MB MB A Figura 13 Algete Madrid SF MB MB B Figura 14
Pág.: 21 de 92 Todas N = 302 MB B A M MM MB r RMSE 1% 1% 1% 3% 1% 1% 1% 9% 1 46% 88% 35% 51% 52% Urbanas N = 125 MB B A M 11% 3% 1% 85% 7% 5% 1% 1% 1% 37% 35% 52% 61% MM Suburbanas N = 92 MB B A M MM 1 2% 1% 87% 13% 2% 2% 2% 41% 3 52% 57% N = 85 MB 6% 1% 12% 2% 1% Rurales B A M MM 93% 39% 47% 33% 66% N = 47 MB 2% 6% 2% 13% Tráfcio B A M MM 21% 77% 3 49% 55% 45% Industrial N = 59 MB B A M MM 2% 3% 2% 3% 9 3% 3% 2% 2% 3% 41% 39% 53% 54% N = 196 MB 8% 1% 1% 12% 3% 1% 1% 1% Fondo B A M MM 9 35% 51% 5 48% Figura 6. Porcentaje de estaciones de O 3 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.
Pág.: 22 de 92 (a) (b) (c) Figura 7. Evaluación del O 3 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.
Pág.: 23 de 92 Figura 8. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación urbana de tráfico Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto Figura 9. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación urbana de fondo Arturo Soria (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto.
Pág.: 24 de 92 Figura 10. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación urbana tráfico Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto Figura 11. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación urbana de tráfico de Badalona (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de
Pág.: 25 de 92 Figura 12. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación suburbana industrial de la Cartuja (Sevilla): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto Figura 13. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación suburbana de Fondo Vic Zona Universitaria (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto
Pág.: 26 de 92 Figura 14. Series temporales mensuales de O 3 de mayo a agosto de en la estación suburbana de Fondo Algete (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto 3.2.2 Dióxido de nitrógeno La evaluación del NO 2 en términos estadísticos se resume en la Tabla 7. Cuantitativamente los bias medios se encuentran cercanos a 0.7 µgm 3 y los errores cuadráticos medios ~14 µgm 3. En general, el sistema CALIOPE tiene tendencia a subestimar las concentraciones de NO 2. Por área, las estaciones suburbanas presentan los menores bias ( 0.29 µgm 3 ), sin embargo son las estaciones urbanas las que tiene mayor correlación (0.55). Por emisión, las estaciones de fondo presentan los menores bias ( 0.16 µgm 3 ), por tipo de emisión los resultados medios son parecidos en las estaciones de fondo y las industriales (~15 µgm 3 ). Tabla 7. Estadísticos anuales de CALIOPE frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de NO 2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m 3 ; MOD, media modelizada en µg m 3 ; Bias, bias medio en µg m 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m 3. #estaciones OBS MOD Bias r RMSE Todas 358 18.9 18.3 0.65 0.48 13.9 Área Urbana 167 25.8 24.8 1.05 0.55 17.6 Suburbana 108 17.3 17.0 0.29 0.46 13.8 Rural 83 7.3 7.0 0.32 0.37 6.7
Pág.: 27 de 92 #estaciones OBS MOD Bias r RMSE Emisión Tráfico 73 31.6 29.9 1.68 0.54 19.4 Industrial 96 15.7 14.8 0.83 0.45 12.3 Fondo 189 15.7 15.5 0.16 0.47 12.7 La evaluación de CALIOPE teniendo en cuenta los criterios de calidad definidos en la Tabla 4 se muestran gráficamente en la Figura 15 en funcion del tipo de estación y se analizan a continuación. La evaluación de todas las estaciones revela que: En términos de Bias: el 97% de las estaciones presentan un comportamiento Muy Bueno, con un sesgo medio anual de ± 5 µgm 3 en las concentraciones horarias de NO 2. En términos de r: el 22% de las estaciones presentan un comportamiento Muy Bueno (r > 0.60) y un 53% Bueno (0.40 < r < 0.60). En términos de RMSE: sólo el 11% de la estaciones presenta un comportaminto Muy Bueno (RMSE< 5 µgm 3 ). La mayoría presentan un comportamiento entre Bueno (el 43% de las estaciones, 5 µgm 3 RMSE < 15 µgm 3 ) y Aceptable (42% de las estaciones, 15 µgm 3 RMSE < 25 µgm 3 ). En función del área, la evaluación indica que los mejores resultados se obtienen en estaciones urbanas: 98% de estaciones Muy Buenas en términos de Bias ( Bias < 5 µgm 3 ) 33% de estaciones Muy Buenas en términos de r (r > 0.60) 29% de estaciones Bueno en términos de RMSE (RMSE < 5 µgm 3 ). En función de la emisión, la evaluación muestra que las mejores resultados se obtienen en estaciones de tráfico: 97% de estaciones Muy buenas en términos de Bias ( Bias < 5 µgm 3 ). 32% de estaciones Muy buenas en términos de r (r > 0.60). 18% de estaciones Bueno en términos de RMSE (RMSE < 5 µgm 3 ). La evaluación espacial de CALIOPE teniendo en cuenta los criterios de calidad definidos en la Tabla 4 se muestran gráficamente en la Figura 16: En función del Bias (Figura 16a) hay una distribución homogenea de las estaciones con un comportamiento Muy bueno en toda España. Para las otras categorías (con Bias > 5 µgm 3 ) la distibución es aleatoria y se debe a éstas (menos del 2%) tienen pocas observaciones (<24%) y las estaciones de Lario (Castilla León), Torrent St. Eulália y Dalt Vila (Baleares) tuvieron problemas con la aplicación del KF (se activo hacia el mes de septiembre y el resto del año estuvo desactivado). En función de r (Figura 16b) el comportamiento del sistema CALIOPE es más heterogéneo. La Comunidad de Madrid presenta mayoritariamente un comportamiento Muy Bueno, mientras que en Barcelona predomina un comportamiento Bueno. En areas industriales como Algeciras, Huelva, Pais Vasco,