Validation of CALMET/CALPUFF models simulations around a large power plant stack

• Autores: Anel Hernández Garcés, José A. Souto González, Angel Rodríguez, Santiago Saavedra Vázquez, Juan José Casares Long
• Localización: Física de la tierra, ISSN 0214-4557, Nº 27, 2015, págs. 35-55
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Validación de simulaciones de los modelos CALMET/CALPUFF en el entorno de una gran chimenea de central térmica
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• Resumen
  • español

    El sistema de modelización CALMET/CALPUFF es empleado habitualmente en el estudio de procesos atmosféricos y de contaminación, y múltiples tests de validación han sido desarrollados hasta ahora; sin embargo, la mayoría de ellos están basados en experimentos con una gran compilación de medidas meteorológicas en superficie y en altura, pocas veces disponibles. Al mismo tiempo, el uso de una gran chimenea en operación como fuente del trazador/contaminante empleado para la validación de modelo CALPUFF no es habitual.

    En este trabajo, en primer lugar, el modelo de diagnóstico meteorológico CALMET (con diversas resoluciones horizontales) es anidado a simulaciones del modelo de predicción meteorológica WRF (resolución horizontal de 3x3 km2) sobre un dominio costero con terreno complejo en el Noroeste de España, abarcando 100x100 km2, con una central térmica de carbón que emitía SO2. Las simulaciones se han realizado durante tres períodos diferentes en los que picos horarios de inmisión de SO2 fueron detectados. Como condiciones iniciales y de contorno del modelo WRF se aplicaron los reanálisis del NCEP. En particular, el esquema de capa límite Yong Sei University-Pleim-Chang (YSU) fue seleccionado en el modelo WRF para proporcionar los mejores datos de entrada a tres resoluciones horizontales diferentes con CALMET: 1x1 km2, 0.5x0.5 km2, and 0.2x0.2 km2. Con las dos últimas resoluciones se obtuvieron los mejores resultados, muy similares entre sí; en consecuencia, la resolución 0.5x0.5 km2 se eligió para ensayar distintos datos meteorológicos de entrada al modelo CALMET, empleando varias combinaciones de los resultados obtenidos con el modelo WRF y/o medidas meteorológicas en superficie y en altura disponibles en el entorno de simulación.

    Sobre los resultados de los modelos WRF y CALMET en altura, las estimaciones de altura de capa de mezcla derivadas de medidas en altura (radiosondeos) son bastante similares a los resultados de las simulaciones CALMET, y mejores que los resultados del modelo WRF. Sobre los resultados de los modelos WRF y CALMET en superficie, se dividieron las estaciones disponibles en dos conjuntos, uno para proporcionar datos de entrada al modelo CALMET (cuando se usaron), y otro compuesto por estaciones para validación. Comparados los resultados de los modelos WRF y CALMET con medidas en superficie de las estaciones para validación el RMSE más bajo se alcanzó empleando como datos de entrada al modelo CALMET los resultados del modelo WRF combinados con medidas en superficie (de las estaciones seleccionadas para proporcionar datos de entrada al modelo CALMET).

    En segundo lugar, el modelo CALPUFF fue aplicado para simular la dispersión local de SO2 (como trazador) de una gran chimenea de central térmica (con cuatro conductos independientes), considerando tanto dos diferentes configuraciones de chimenea (un solo foco puntual suma de los cuatro conductos vs.

    un foco puntual por conducto) como dos resultados distintos del modelo CALMET (usando como datos de entrada: solo los resultados del modelo WRF vs. solo medidas meteorológicas en superficie y en altura). La comparación de dichas simulaciones CALPUFF frente a las medidas de inmisión disponibles (promedios horarios) mostró que el mejor rendimiento del modelo se obtuvo empleando los resultados del modelo WRF como datos de entrada para CALMET; también, mejores resultados de inmisión se obtuvieron considerando un foco puntual por conducto en las simulaciones con CALPUFF.

  • English

    CALMET/CALPUFF modeling system is frequently used in the study of atmospheric processes and pollution, and several validation tests were performed until now; nevertheless, most of them were based on experiments with a large compilation of surface and aloft meteorological measurements, rarely available. At the same time, the use of a large operational smokestack as tracer/pollutant source is not usual.

    In this work, first CALMET meteorological diagnostic model is nested to WRF meteorological prognostic model simulations (3x3 km2 horizontal resolution) over a complex terrain and coastal domain at NW Spain, covering 100x100 km2, with a coal-fired power plant emitting SO2. Simulations were performed during three different periods when SO2 hourly glc peaks were observed. NCEP reanalysis were applied as initial and boundary conditions. Yong Sei University-Pleim-Chang (YSU) PBL scheme was selected in the WRF model to provide the best input to three different CALMET horizontal resolutions, 1x1 km2, 0.5x0.5 km2, and 0.2x0.2 km2. The best results, very similar between them, were achieved using the last two resolutions; therefore, the 0.5x0.5 km2 resolution was selected to test different CALMET meteorological inputs, using several combinations of WRF outputs and/or surface and upper-air measurements available in the simulation domain.

    With respect to meteorological aloft models output, CALMET PBL depth estimations are very similar to PBL depth estimations using upper-air measurements (rawinsondes), and significantly better than WRF PBL depth results. Regarding surface models surface output, the available meteorological sites were divided in two groups, one to provide meteorological input to CALMET (when applied), and another to models validation. Comparing WRF and CALMET outputs against surface measurements (from sites for models validation) the lowest RMSE was achieved using as CALMET input dataset WRF output combined with surface measurements (from sites for CALMET model input).

    Following, CALPUFF model was applied to simulate the local atmospheric diffusion of SO2 (as an inert tracer) from a large power plant smokestack (with four parallel independent liners), considering two different stack configurations (one single point source as a summa of four liners vs. one point source per liner) and two different CALMET meteorological simulations (using as input dataset only the WRF model output vs. only surface and upper-air meteorological measurements).

    Comparison of those CALPUFF simulations results against the hourly average ground level concentration (glc) measurements shows that the best model performance was obtained by using only WRF model output as CALMET input; also, better glc results are obtained considering one point source per liner in CALPUFF simulations.