Ayuda
Ir al contenido

Dialnet


Integración de procesos atmosféricos de distintas escalas para la mejora de la modelización de la calidad del aire asociada a material particulado en entornos urbanos

  • Autores: David de la Paz Martin
  • Directores de la Tesis: Rafael Borge Garcia (dir. tes.)
  • Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2018
  • Idioma: español
  • Tribunal Calificador de la Tesis: Encarnación Rodríguez Hurtado (presid.), Juan Manuel de Andrés Almeida (secret.), Fernando Martín Llorente (voc.), Michel Vedrenne (voc.), Ignacio Fernández Olmo (voc.)
  • Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Ambiental, Química y de los Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid
  • Materias:
  • Texto completo no disponible (Saber más ...)
  • Resumen
    • La calidad del aire urbano se ha convertido en uno de los principales problemas ambientales a nivel mundial y existe una necesidad creciente en el desarrollo de herramientas de modelización capaces de reproducir con precisión los complejos fenómenos atmosféricos que determinan las concentraciones de contaminantes dentro de las ciudades. Los modelos Eulerianos de mesoescala son capaces de describir consistentemente una amplia gama de escalas espaciales y temporales, relevantes para evaluar los niéveles de concentración en el aire ambiente tanto de especies gaseosas (NO2, O3, SO2, etc.) como de material particulado (PM10 y PM2,5). Esta Tesis Doctoral se centra en este segundo grupo (PM), por la importancia que tiene desde el punto de vista de la salud, el medio ambiente, la química atmosférica y el cambio climático y por las carencias existentes en los sistemas de simulación actuales.

      Las principales variables de entrada que alimentan un modelo de calidad del aire son las emisiones y la meteorología, las cuales, pueden presentar diferentes grados de incertidumbre. Una mejora de su representación en los sistemas de simulación, permite resolver en parte, la infraestimación de niveles de concentración de partículas que tradicionalmente han tenido las predicciones de los modelos, especialmente en entornos urbanos.

      En el caso de las emisiones de partículas, esta incertidumbre se relaciona esencialmente con deficiencias en los inventarios de emisión, principalmente por la omisión de determinadas fuentes que pueden contribuir de forma importante a la emisión total de material particulado. En esta Tesis se presenta la implementación de dos módulos de emisión de partículas en el sistema de modelización (WRF-SMOKE-CMAQ). El primer desarrollo se ha centrado en las emisiones procedentes de zonas áridas y desiertos, concretamente el polvo procedente del desierto del Sahara, como primer paso para la generalización de la representación de este tipo de fuente con carácter general. Para ello, se implementó y desarrolló el módulo DEM (Dust Emission Module) basado en el modelo de aerosoles GOCART, para su ejecución en el modelo de calidad del aire. El módulo se integró con el resto del código, se ejecutó durante un periodo de intrusión sahariana y los resultados se compararon con productos satelitales (MODIS y CALIPSO) y observaciones a nivel del suelo (AERONET y estaciones de calidad del aire). Esta comparación demuestra que DEM es capaz de reproducir los patrones espaciales (horizontales y verticales) y temporales de las intrusiones de polvo del Sahara en la cuenca Mediterránea y la costa atlántica de África. Además, se observa que el grado de correlación entre las concentraciones de PM10 observadas y modelizadas aumenta considerablemente. DEM también mejoró las capacidades de CMAQ para reproducir el AOT observado, gracias a una mejor representación de la fracción mineral del aerosol atmosférico.

      El segundo desarrollo se ha centrado en la implementación de un módulo de emisión de partículas procedentes del tráfico rodado mediante el fenómeno conocido como resuspensión. Para ello, se ha desarrollado un sistema que basado en factores de emisión empíricos (EF), permite incorporar el proceso en el sistema de modelización de forma consistente con el resto de fuentes. Este ajuste se basa en el modelo de emisiones desarrollado por el Midwest Research Institute, lo que ha permitido tener en cuenta la relación entre la tasa de emisión y las características del parque circulante. Además, en el proceso de resuspensión de PM, la intensidad de tráfico es un factor esencial. Para reflejar adecuadamente esta circunstancia, el modelo de resuspensión se ha integrado con un modelo de tráfico regional; en este caso del Ayuntamiento de Madrid. Estos EF y sus respectivas emisiones, se han testado inicialmente con en el modelo de microescala (OSPM), con el propósito de evaluar la implementación en condiciones simplificadas y con disponibilidad de datos experimentales detallados. El contraste de los datos simulados y observados indica una clara mejora en el sesgo de la predicción de PM10, que pasó de 20 a 5 μgm-3 y con una ligera mejora del coeficiente de correlación (r ≈ 0,5). Una vez evaluado el modulo, posteriormente se ha implementado una nueva metodología para incorporar las emisiones de este tipo de fuentes en el modelo de mesoescala WRF-SMOKE-CMAQ. En esta implementación se ha tenido en cuenta además el efecto de la lluvia sobre el proceso de resuspensión. Este factor, no obstante, ha demostrado tener un efecto muy pequeño sobre el total de las emisiones, debido principalmente a las condiciones climáticas generalmente secas en el área urbana de Madrid. Los experimentos realizados han demostrado la importancia del proceso de resuspensión en la zona de estudio. El cálculo de las emisiones de resuspensión indica que son aproximadamente del mismo orden de magnitud que las emisiones inventariadas de PM10 en base anual. El impacto en términos de calidad del aire en la ciudad también es notable, llegando a contribuir hasta en 9 μg m-3 a la media anual de PM10.

      Por lo que respecta a la meteorología, una mejor comprensión de los factores involucrados en la interacción ciudad-atmósfera ayuda a mejorar la estimación de la concentración de contaminantes a nivel de calle para cualquiera de las sustancias relevantes en términos de calidad del aire. La presencia de los edificios y otras estructuras artificiales produce efectos tanto mecánicos como térmicos que dan lugar a patrones complejos de flujo y turbulencia que inducen una fuerte heterogeneidad espacial en los campos de concentración. Algunos de estos procesos suceden a microescala (escala de pocos metros) y no pueden tratarse explícitamente para una ciudad entera, debido a la falta de resolución (1 km) de los modelos de mesoescala. Es por ello, que el modelo meteorológico (WRF) incorpora parametrizaciones urbanas para tener en cuenta los cambios en el albedo, la longitud de la rugosidad o las propiedades térmicas de los edificios entre otras variables. En la Tesis se ha utilizado una configuración del modelo basado en el esquema BEP (Building Effect Parameterization) sobre la ciudad de Madrid, con el objetivo principal de comprender los ajustes necesarios para su implementación y para evaluar la influencia que el uso de un esquema urbano tiene sobre la calidad del aire, y más concretamente sobre los niveles de concentración del material particulado. Los resultados muestran que esta configuración mejora significativamente el pronóstico de la velocidad del viento sobre las áreas construidas, de tal manera que reduce la sobrestimación de 1,6 a -0,3 m s-1 como media. Como consecuencia también mejora el rendimiento del modelo de transporte químico CMAQ para el pronóstico del material particulado, donde se reduce la infraestimación en más de un 10% y el índice de acuerdo (IOA) mejora como media 0,53 a 0,58, para los mismos datos de emisiones. Además, se ha observado que este desarrollo mejora sustancialmente el comportamiento del modelo para otros contaminantes gaseosos de gran relevancia en zonas urbanas (NO2 y O3).

      Todas estas mejoras han sido integradas consistentemente en el sistema de simulación a mesoescala y están listas para la aplicación operativa de la herramienta a las tareas de investigación de calidad del aire y evaluación de medidas y políticas en entornos urbanos. Además, el diseño de los distintos módulos permitirá incorporar cualquier evolución o mejora futura gracias a la flexibilidad del marco conceptual de la implementación.


Fundación Dialnet

Dialnet Plus

  • Más información sobre Dialnet Plus

Opciones de compartir

Opciones de entorno