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Encomienda de Gestión 2007-2010 entre el Ministerio de
Medio Ambiente y el CIEMAT para la evaluación de la calidad del aire en España mediante modelización.
EVALUACION DE LA CALIDAD DEL AIRE EN
ESPAÑA UTILIZADO MODELIZACIÓN
COMBINADA CON MEDICIONES.
REEVALUACION AÑO 2006
Marta G. Vivanco, Inmaculada Palomino, Fernando Martín y Blanca Casado
Unidad de Contaminación Atmosférica
CIEMAT Avda. Complutense 22, 28040 Madrid
15 Febrero 2009 Ref: 17/2009
INDICE
INTRODUCCION 1Marco Legal 1Métodos de Evaluación 4Objetivos 6
ANTECEDENTES 7
METODOLOGIA 9
Líneas generales 9
Dominio espacial 10
Inventario de emisiones 11
Modelización meteorológica 14
Simulación de la dispersión de contaminantes 16RESULTADOS 17
SO2 17
PM10 23
O3 28
NO2 35
CO 40
CONCLUSIONES 42
REFERENCIAS 43
APÉNDICE I 45
APÉNDICE II 65
APÉNDICE III 79
APÉNDICE IV 99
APÉNDICE V 113
1. INTRODUCCION 1.1 Marco legal El 11 de junio de 2008 se publicó en le Diario Oficial de la Unión Europea la Directiva 2008/50/CE relativa a la calidad del aire ambiente y a una atmósfera más limpia en Europa, que unifica la legislación dispersa en diversas directivas anteriores (Directiva Marco 96/62 y directivas hijas 1999/30, 2000/69, 2002/3 y 2004/107). Por tanto, esta nueva directiva mantiene básicamente el espíritu de las anteriores y surge a partir del sexto programa de acción comunitaria (Decisión nº 1600/2002/CE), que establece la necesidad de reducir los niveles de contaminación que limiten al mínimo los efectos perjudiciales para la salud humana y al medio ambiente en su conjunto. Los objetivos de esta nueva directiva son: 1) definir y establecer objetivos de calidad del aire ambiente para
evitar, prevenir o reducir los efectos nocivos para la salud humana y el medio ambiente en su conjunto;
2) evaluar la calidad del aire ambiente en los Estados miembros basándose en métodos y criterios comunes;
3) obtener información sobre la calidad del aire ambiente con el fin de ayudar a combatir la contaminación atmosférica y otros perjuicios y controlar la evolución a largo plazo y las mejoras resultantes de las medidas nacionales y comunitarias;
4) asegurar que esa información sobre calidad del aire ambiente se halla a disposición de los ciudadanos;
5) mantener la calidad del aire, cuando sea buena, y mejorarla en los demás casos;
6) fomentar el incremento de la cooperación entre los Estados miembros para reducir la contaminación atmosférica.
No obstante, esta directiva también aporta novedades importantes. La más llamativa de todas es la inclusión de las partículas PM2.5 como contaminante a controlar y evaluar introduciendo un indicador de la exposición basado en mediciones de fondo urbano el cual no deberá superar los 20 µg/m3 en 2015. También se ha definido un valor objetivo en media anual de 25 µg/m3 para 2010, que pasa a ser valor límite en 2015 en su fase 1 reduciéndose a 20 µg/m3 en fase 2 para 2020. También se incluyen y regulan los niveles críticos de óxidos de azufre y nitrógeno. Se establecen prórrogas de los plazos de cumplimiento y exenciones de la obligación de aplicar ciertos valores límite. Además, en el caso de que se demuestre que las superaciones de valores
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límite, objetivo o alerta sean debidos en parte a un aporte transfronterizo, establece que los estados miembros deberán cooperar e idear acciones conjuntas para corregir esas superaciones. En lo referente a la evaluación de la calidad del aire, mantiene el concepto de umbrales superiores e inferiores de evaluación para dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y óxidos de nitrógeno, partículas, plomo, benceno y monóxido de carbono en virtud de los cuales es obligatoria la evaluación con mediciones (en caso de superarse el umbral superior), o da la posibilidad de usar conjuntamente mediciones y modelización o mediciones indicativas (entre ambos umbrales), o la posibilidad de evaluar sólo con modelización o estimación objetiva (en el caso de estar por debajo del umbral inferior de evaluación). En cambio, en el caso del ozono los criterios de evaluación son diferentes. Se establece la obligación de utilizar mediciones fijas en el caso de que se hubieran superado los valores objetivo en cualquiera de los cinco años anteriores. Existe la posibilidad de complementar la información de mediciones fijas con modelización e incluso, en ese caso, se podrían reducir los puntos de medición siempre que la modelización provea información suplementaria suficiente en lo que respecta a los valores objetivo, objetivos a largo plazo, umbrales de información y alerta, así como, que se cumplan unos requisitos mínimos de medición tanto de ozono como de óxidos de nitrógeno. Los resultados de la modelización y/o las mediciones indicativas se tendrán en cuenta para la evaluación de la calidad del aire en relación con los valores objetivo. Cuando se hayan alcanzado los objetivos a largo plazo el número de estaciones requeridas podrá reducirse a un tercio siempre que se utilicen otros medios de evaluación suplementaria como la modelización. Esta directiva en lo referente a la modelización mantiene la idea de que la modelización es muy útil y, en muchos casos necesaria para: • I terpretar los datos medidos de concentración en relación con los procesos atmosféricos de los contaminantes.
n
v• E aluar la calidad del aire en cada una de las zonas como complemento de las mediciones fijas.
• Diseñar planes y programas para garantizar el cumplimiento de los valores límite y objetivo de calidad del aire.
• Predecir la calidad del aire.
También establece criterios de calidad exigidos a las técnicas de evaluación de la calidad del aire incluyendo a los modelos (figura 1). En el caso de la modelización, la incertidumbre se define como la desviación máxima entre los niveles de concentración medidos y calculados para el 90 % de los puntos de control individuales, a lo
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largo del período considerado, respecto del valor límite (o el valor objetivo en el caso del ozono), sin tener en cuenta la cronología de los acontecimientos. Para la modelización, la incertidumbre se interpretará como aplicable en el rango del valor límite adecuado (o el valor objetivo en el caso del ozono). Las mediciones fijas que se seleccionen para comparar con los resultados del modelo serán representativas de la escala considerada por el modelo.
Figura 1. Objetivos de calidad de los datos para la evaluación de la calidad del aire ambiente.
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Sin embargo, esta directiva tendrá que ser traspuesta a la legislación española próximamente. En muchos aspectos, incluido lo referente a valores límite, los Reales Decretos 1073/2002, 1796/2003 y 812/2007 siguen vigentes. Tampoco podemos olvidar que la Ley 34/2007, de 15 de noviembre, de calidad del aire y protección de la atmósfera vigente desde finales de 2007 también incorpora estos conceptos relativos a la evaluación de la calidad del aire y a los métodos posibles para realizarla y de que se deben establecer unos requisitos mínimos a estos métodos para garantizar una correcta evaluación de la calidad del aire. Incluso establece que las comunidades autónomas, en el ejercicio de sus competencias, evaluarán la calidad del aire, podrán establecer objetivos de calidad del aire y valores límite de emisión más estrictos que los que establezca la Administración General del Estado entre otras de sus obligaciones. Esta ley dedica su capítulo II específicamente a la gestión y evaluación de la calidad del aire. 1.2 Métodos de evaluación Existen diversas técnicas para proceder a la evaluación de la calidad del aire en un territorio:
• Medidas continuas en estaciones fijas. Redes de vigilancia constituidas por un número más o menos extenso de estaciones distribuidas por la zona a estudiar. Estas estaciones están formadas por equipos de medida en continuo de concentración de los contaminantes atmosféricos y de variables meteorológicas. Actualmente, la información registrada continuamente es enviada en tiempo real a una base de datos situada en un centro de control.
• Medidas indicativas: o Datos de otras zonas equiparables por sus emisiones,
configuración geográfica, climática, etc. o Medidas discontinuas con campañas experimentales específicas
utilizando unidades móviles, captadores pasivos, etc. • Métodos basados en cálculo.
o Interpolación espacial a partir de datos recogidos en estaciones fijas. En el procedimiento de interpolación ha de tenerse en cuenta la representatividad espacial de cada una de las estaciones.
o Modelos matemáticos simulando los procesos atmosféricos del contaminante, donde se tendrán en cuenta el inventario de emisiones (cuánto, dónde y cuándo se emiten los contaminantes), características geográficas, meteorología, etc. Proporcionan información con menor exactitud que la basada en las técnicas de medida, pero ofrecen una mejor cobertura espacial.
• Combinación de modelos y datos medidos en estaciones. Éste es la técnica de evaluación más adecuada, porque une las ventajas de la medición (exactitud) y de la modelización (cobertura espacial).
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La evaluación de la calidad del aire debe cubrir toda la zona a estudiar y no sólo los puntos donde existen estaciones fijas. En la práctica, las medidas se utilizan como una aproximación a este objetivo. Una forma de aumentar la cobertura espacial de las medidas fijas es el uso de medidas indicativas (captadores pasivos, campañas experimentales, etc.). La cuestión a resolver es como se puede estimar consistentemente la distribución espacial de contaminantes en una zona. Parece evidente que el uso único de medidas obligaría a tener una red muy extensa, lo que resulta realmente muy caro y difícil de conseguir. Por ello, surge la necesidad de utilizar otros métodos complementarios (tal como indica la directiva marco), como pueden ser técnicas de interpolación y modelización. Sin embargo, las mejores técnicas de evaluación son combinaciones de modelos y datos medidos en estaciones. De esta forma, se conjugan las ventajas de la medición (exactitud) y de la modelización (cobertura espacial). En la figura 1, se muestran esas combinaciones posibles, desde el uso exclusivo de medidas sin ninguna interpretación hasta la aplicación de modelos no validados y sin apoyo de medidas. Entre estos extremos surgen diversas posibilidades mucho más razonables y fiables.
Combinaciones de medidas y modelos enla evaluación de la calidad del aire
A. Medidas sin interpretaciónB. Medidas + interpretaciónC. Medidas + interpolaciónD. Medidas + modelo ajustado a medidasE. Asimilación de datosF. Modelo validado para esa zonaG. Modelo validado para otra zonaH. Modelo no validado
MEDIDAS
MODELOS
Figura 1. Esquema de métodos de evaluación combinando en distintos grados las mediciones y los modelos. La evaluación de la calidad del aire se establece en tres rangos posibles: 1. Niveles altos de contaminación. Es el caso de tener concentraciones de
contaminantes superiores al umbral superior de evaluación (generalmente, un 60 o 70% del valor límite1). En la evaluación de la calidad del aire debe hacerse uso obligado de las medidas con equipos homologados y bien mantenidos, pudiendo hacer un uso de modelos de modo complementario.
1 nivel fijado con el fin de prevenir o reducir los efectos nocivos para la salud humana y para el medio ambiente en su conjunto, que debe alcanzarse en un plazo determinado y no superarse una vez alcanzado
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2. Niveles medios de contaminación. Cuando las concentraciones de contaminantes se sitúen entre el umbral superior y el inferior de evaluación (entre un 40 y un 50% del valor límite), la evaluación de la calidad del aire puede realizarse mediante la combinación de medidas y modelización.
3. Niveles bajos de contaminación. Cuando las concentraciones de contaminantes se sitúen por debajo del umbral inferior de evaluación, la evaluación de la calidad del aire puede realizarse limitándose sólo a la modelización.
El papel del modelado de la contaminación atmosférica en las directivas europeas es el siguiente: •
•
•
•
Evaluación preliminar y posterior (anual) de la calidad del aire, como complemento de las medidas obtenidas en redes de estaciones. Diseño de planes y programas para garantizar el cumplimiento de los valores límite de calidad del aire. Los modelos permiten realizar estimaciones sobre la contaminación resultante bajo los diversos escenarios de emisión de contaminantes resultantes de aplicar una u otras medidas de reducción de contaminación. Elaboración de predicciones a corto plazo sobre la posible evolución de la situación para poder realizar avisos a la población. Se están desarrollando, y en varios sitios ya están funcionando, sistemas informáticos de predicción y control de la calidad del aire constituidos por modelos adecuados que reciben información de emisión, inmisión y meteorología (redes) para realizar predicciones a unas horas o días vista, lo que permite anticiparse a la eventualidad de altos niveles de contaminación. Herramienta para conocer de una forma integrada los procesos que tienen lugar en una determinada zona y cómo éstos interaccionan entre sí, o cuáles son los predominantes. Pueden ser muy útiles en la labor de análisis de episodios de contaminación pudiendo, por ejemplo, estimar la procedencia o causa de esa contaminación.
1.3 Objetivos En el presente informe, se muestran los resultados de los trabajos de aplicación de la modelización matemática con modelos atmosféricos de dispersión conjunta con las mediciones de redes españolas de contaminación atmosférica para 2006 Esto resultados han sido revisados y actualizados a la luz de la información más fiable de emisiones de contaminantes principalmente y utilizando las mejores herramientas y modelos disponibles en la actualidad. Los contaminantes objeto de este estudio han sido CO, NO2, SO2, O3 y PM10. Estos trabajos han sido realizados por el Grupo de Modelización Atmosférica (GMA) de la Unidad de Contaminación Atmosférica (UCA) del CIEMAT en el marco de la Encomienda de Gestión 2007-2010 entre el Ministerio de Medio Ambiente y el CIEMAT para la evaluación de la calidad del aire en España mediante modelización.
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2. ANTECEDENTES Anualmente, desde el año 2003, el GMA-UCA ha venido realizando trabajos de modelización para el año precedente utilizando la información existente de emisiones de contaminantes (habitualmente de uno o dos años anteriores) alimentado a modelos del tipo Lagrangiano de puff, tales como MELPUFF y CALPUFF utilizando el modelo CALMET como procesador meteorológico previo. CALMET empezó utilizando datos meteorológicos de estaciones SYNOP, METAR y TEMP en el caso de la evaluación del 2002 para posteriormente utilizar datos de análisis meteorológicos del modelo HIRLAM elaborados por el Instituto Nacional de Meteorología. El primer año (2002) sólo pudieron tratarse los contaminantes SO2 y Pb (Martín et al, 2003). En los años posteriores 2003 y 2004, esto pudo extenderse a más contaminantes incluyendo el CO y la primera incursión en las partículas PM10, considerando sólo las primarias de origen antropogénico de las que únicamente se disponía de datos de emisión (Martín et al; 2004 y 2005). Los dominios espaciales de calculo han sido muy similares a los largo de estos años y la fuente de datos de emisiones ha venido en su mayor parte del Ministerio de Medio Ambiente en su formato de malla EMEP de 50x50 Km2 de resolución con emisiones totales anuales desagregadas por actividades SNAP. Está información fue procesada todos los años para poder estimar las emisiones horarias de contaminantes en celdas de 25x25 Km2, que eran las habituales de los modelos de dispersión. En cuanto a la combinación entre modelo y mediciones, se desarrollaron técnicas de asimilación de ambas basadas en procedimientos habituales en el ámbito meteorológico (Vivanco et al; 2005) La labor realizada en este período, no obstante, presentaba ciertos aspectos a mejorar:
1. Los modelos utilizados por entonces no podían tratar O3 y otros compuestos implicados en la fotoquímica atmosférica.
2. La resolución espacial debería mejorarse para poder dar una visión más precisa de la calidad del aire.
3. La utilización de datos de emisiones que correspondían a uno o dos años anteriores al que era objeto de evaluación.
Este último punto era importante e inevitable, ya que, por la premura en tener información de la calidad del aire con modelos antes de la fecha de información obligada a la Comisión Europea (final de septiembre de cada año), se precisaba realizar la preparación de datos, las ejecuciones de los modelos y la combinación con mediciones en el primer semestre de cada año. Los datos de emisión de un año concreto tardan en estar disponibles, al menos, 1 año. Aunque las variaciones interanuales habituales sean pequeñas (2 o 3% anual) puede que en celdas concretas el cambio sea mayor y los resultados de los modelos no se ajusten a la realidad. La estrategia que se ha adoptado recientemente relativa al uso de modelos en la evaluación de la calidad del aire anual consiste en realizar:
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1. Evaluación preliminar (preevaluación) del año a informar a la Comisión Europea (CE) utilizando los últimos datos disponibles de emisiones de contaminantes atmosféricos. La CE obliga a los estados miembros a informar de la calidad del aireen su territorio en el año siguiente al que es objeto de evaluación. Por ejemplo, en el año 2007 ha habido que presentar la evaluación de la calidad del aire del año 2006. En el marco de la encomienda de gestión, GMA-UCA-CIEMAT realizó durante la primavera de 2007 una estimación de la calidad del aire en España aplicando el sistema de modelos MM5-CHIMERE sobre la base de las emisiones EMEP de 2004 aunque con la meteorología de 2006 (Vivanco et al., 2007).
2. Evaluación final (reevaluación) de cada año utilizando datos de emisiones EMEP correspondientes al año a evaluar. El último año realizado fue el 2005 (Vivanco et al, 2008)
Este informe presenta los resultados correspondientes a la reevaluación del año 2006 utilizando el sistema de modelos MM5-CHIMERE con emisiones EMEP, meteorología y datos de estaciones de calidad del aire de 2006.
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3. METODOLOGIA 3.1 Líneas generales El principal objetivo de los trabajos es realizar una estimación de la calidad del aire a escala nacional, pero prestando especial atención a aquellas zonas no cubiertas por estaciones de medida. Como ya se discutió en diversos foros, esta información puede ser obtenida por diversos métodos. Entre éstos destaca como uno de los más fiables la utilización de modelos meteorológicos y de dispersión junto con datos medidos en estaciones, por lo que se ha utilizado una metodología de asimilación de datos medidos en estaciones y resultados de la aplicación de modelos. De esta forma, se aprovechan los puntos fuertes de cada fuente de información: la precisión y fiabilidad de las mediciones y la resolución y cobertura espacial de los resultados de los modelos (ver figura 2).
2002 - SO2 - SUPERACIONES DE VALOR LIMITE ANUAL ECOSISTEMAS
SI
NO
SUPERACIONES DE VALORES LIMITE
Distribución espacial de concentración de contaminantes
-96 -46 4 54 104 154 204 254 304 354 404 454 504 554 604 654 704 754 804 854 904 954 1004 1054 1104
-96 -46 4 54 104 154 204 254 304 354 404 454 504 554 604 654 704 754 804 854 904 954 1004 1054 1104
39673992401740424067409241174142416741924217424242674292431743424367439244174442446744924517454245674592461746424667469247174742476747924817484248674892
39673992401740424067409241174142416741924217424242674292431743424367439244174442446744924517454245674592461746424667469247174742476747924817484248674892
CONCENTRACIONES MEDIAS ANUALES 2002 SO2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
microgr/m3
LEGISLACIÓNVALORES LÍMITE DE CALIDAD DEL AIRE
MODELOMATEMÁTICO
Inventarios de emisiones
0 to 10000 10000 to 20000 20000 to 50000 50000 to 100000 100000 to 500000 500000 to 2000000 2000000 to 10000000 10000000 to 50000000
EMISIONES SUPERFICIALES SO2 10-01-03 15:00
Meteorología
Topografía y usos de suelo
8
7
11
9
10
12
13
14
15
16
1
2
3
45
6
8
7
11
9
10
12
13
14
15
16
1
2
3
45
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REDES DE CALIDAD DEL AIRE
FIGURA 2. Esquema seguido para la evaluación de la calidad del aire conjugando los resultados de los modelos y las mediciones en estacones fijas.
Escuetamente, la metodología utilizada ha seguido los siguientes pasos:
1. Establecimiento del dominio espacial de cálculo. 2. Estimación de las emisiones de contaminantes en todo el dominio y su
evolución a lo largo del año.
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3. Estimación de las condiciones atmosféricas a lo largo del año mediante un modelo meteorológico.
4. Estimación de la distribución espacial de concentraciones de contaminantes y su evolución temporal mediante un modelo de dispersión.
5. Elaboración de mapas de concentración de contaminantes. 3.2 Dominio espacial Debido a la influencia del transporte de contaminantes a larga distancia, el modelo se aplicó previamente a un dominio europeo, de 0.5º x 0.5º grados de resolución, desde 10.5W a 22.5E y desde 35N a 57.5N. A continuación, y con objeto de obtener mejores resultados se ejecutó el modelo sobre un dominio más pequeño centrado sobre la Península Ibérica y de mayor resolución (0.2ºx 0.2º) (figura3).
-10 -8.5 -7 -5.5 -4 -2.5 -1 0.5 2 3.5 5 6.5 8 9.5 11 12.5 14 15.5 17 18.5 20LONGITUDE
3536373839404142434445464748495051525354555657
LATI
TUD
E
CHIMERE DOMAINS
FIGURA 3. Dominios espaciales de cálculo.
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3.3 Inventario de emisiones Se han utilizado las emisiones totales anuales EMEP (Data Expert) para grupo de actividad SNAP en celdas de 50x50 Km (mallado especial EMEP, figura 4). Éstas fueron transpuestas a una malla de celdas de 20x20 Km2 (orientada Norte-Sur y Este – Oeste) siguiendo un reparto basado en datos digitales de usos de suelo de la base de datos Global Land Cover Facility (GLCF) (http://change.gsfc.nasa.gov/create.html). Las emisiones de compuestos orgánicos volátiles no metánicos se descompusieron en 227 especies para cada actividad SNAP siguiendo la especiación de Passant, (2002) y luego se agregaron según los requerimientos de CHIMERE. Las emisiones biogénicas se calcularon según Simpson et al. (1995) para el alfa-pineno, NO e isopreno. El reparto temporal de las emisiones EMEP se ha realizado considerando perfiles temporales característicos de España de cada actividad contaminante (uno por cada actividad SNAP). Estos perfiles se han obtenido de otros trabajos realizados anteriormente por los investigadores de nuestra unidad, especialmente de Palacios (2001, 2002) (figura 5). Los perfiles de tráfico (SNAP 7) corresponden a la Ciudad de Zaragoza extraído del procesamiento de conteos de intensidad de tráfico del ayuntamiento de dicha ciudad para 2004. Esta ciudad puede ser considerada como una ciudad media española.
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EMEP EMISSION GRID50X50 Km cells
Figura 4. Malla de emisiones EMEP con celdas de 50x50 Km2.
Figura 5. Perfiles temporales de actividad a lo largo del año para cada actividad SNAP.
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En la figura 6, puede verse un mapa de emisiones superficiales de SO2 en la malla de 20x02 Km usada para CHIMERE. En el se aprecian las emisiones mayores en zonas con centrales térmicas, en zonas urbanas e industriales, así como, son muy notables las emisiones en las rutas marítimas.
Figura 6. Emisiones de SO2 en kg/km2h en un día laboral de marzo a las 10:00.
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3.4 Modelización meteorológica La modelización meteorológica y de dispersión de contaminantes se ha realizado siguiendo el esquema mostrado en la figura 7. La meteorología fue obtenida con el modelo MM5, ejecutado para un año completo para los dos dominios geográficos ya mencionados, y utilizando análisis del modelo global AVN para proporcionar las condiciones de contorno necesarias. La configuración de MM5 fue la siguiente:
Proceso Parametrización
Microfísica nubes Reisner graupel
Radiación RRTM, Radiación nubes
PBL MRF PBL
LSM 5-capas LSM
Cúmulos Grell
Condiciones iniciales y
de contorno
análisis NCEP-GFS
La ejecución de un año completo en los dos dominios utilizando el clúster LINCE de CIEMAT tarda unas 600 horas en simular los dos dominios para un año completo. Los ficheros de salida ocupan aproximadamente 45 Gb.
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CONDICIONES DE CONTORNO
INCA y GOCART
CHIMEREDOMINIO EUROPEO
Res 0.5 ºx 0.5º
MM5DOMINIO EUROPEO
Res. 36x36 km
MM5DOMINIO ESPAÑOL
Res. 19x19 km
CHIMEREDOMINIO ESPAÑOL
Res 0.2 ºx 0.2º
CONCENTRACION
EN MALLA
CONCENTRACIONCONCENTRACION
EN MALLAEN MALLA
EMISIONES EMEP
(50 X 50 KM)
Uso de suelo
Re-escalado, desagregación
espacial y temporal
Análisis AVN
Análisis AVN
Figura 7. Diagrama explicativo de la configuración de modelos utilizada para la
preevaluación de la calidad del aire en España 2006.
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3.5 Simulación de la dispersión de contaminantes Para simular la dispersión de contaminantes, se ha utilizado el modelo CHIMERE (Menut et al., 2000; Vautard, et al., 2000a y b, 2003, 2005, y 2006, Bessagnet et al, 2004; http://euler.lmd.polytechnique.fr/chimere/). Es un modelo multiescala diseñado principalmente para proporcionar predicciones diarias de ozono, aerosoles y otros contaminantes y para realizar simulaciones a largo plazo para diversos escenarios de emisiones. CHIMERE es válido para diversas escalas desde grandes escalas (varios miles de kilómetros) hasta escalas urbanas (100-200 Km) con resoluciones espaciales de 1 ó 2 Km hasta 100 Km. CHIMERE dispone de diferentes opciones que le permiten ser una potente herramienta de investigación. Puede ser ejecutado con diferentes grados de complejidad que lo pueden hacer incluso de fácil uso como herramienta de ayuda a la gestión de la calidad del aire. Puede utilizar diversos mecanismos químicos, desde los más simples a los más complejos considerando, o no, aerosoles. En esta versión, utiliza el mecanismo MELCHOR II con la versión de aerosoles. Actualmente está siendo utilizado en diversas regiones de Francia y también como herramienta de predicción operacional de la calidad del aire en la Europa Occidental. Las condiciones de contorno (valores de calidad en los extremos de la región modelizada) para el dominio mayor, fueron obtenidas de salidas mensuales del modelo INCA para las concentraciones de gases y del modelo GOCART para las partículas. CHIMERE se alimenta de las emisiones antes descritas y de las condiciones atmosféricas simuladas con MM5 tanto para el dominio europeo como para la Península Ibérica y Baleares (figura 3). Se realizaron simulaciones para 2006 completo en el clúster de PCs LINCE utilizando 26 CPUs tardando unas 240 horas para un año completo en los dominios considerados. Las salidas ocupan unos 40 Gb.
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4. RESULTADOS Con los resultados de CHIMERE, se calcularon valores medios y máximos horarios, octohorarios, diarios, mensuales y anuales y se estimaron las zonas en España de posible superación de los valores límite de concentración que marca la legislación para diversos contaminantes. Con esta información se elaboraron mapas en los que además se representan los datos medidos en estaciones de las distintas redes de calidad del aire desplegadas en España y que cumplan los criterios mínimos exigidos de captura mínima de datos (máximo permitido por RD. 1073/2002). De esta forma, se obtiene en un mismo mapa información de dos fuentes: modelos y estaciones. Esto permite rellenar aquellas zonas no cubiertas por estaciones de medida, especialmente zonas rurales más o menos remotas. El gestor de la calidad del aire siempre debe dar mayor fiabilidad a las mediciones, siempre que éstas hayan sido obtenidas con equipos fiables y bien mantenidos, y que tengan una representatividad real de la zona en la que están ubicadas. Por ejemplo, las estaciones situadas en una acera junto a un semáforo (estación de tráfico) serán representativas de una zona muy pequeña, mientras que una estación en parque urbano céntrico puede dar una idea de la contaminación urbana de fondo y, por tanto, ser representativa de una zona mucho mayor, quizá de toda una ciudad. En los siguientes apartados, se muestran y analizan los mapas de obtenidos de la calidad del aire en España del año 2006 referentes a superaciones de los diversos valores límite y objetivo de diversos contaminantes considerando los resultados del modelo CHIMERE y los registros de las estaciones de medida, exceptuando las de tráfico por su escasa representatividad espacial. 4.1 Resultados para SO2 - 2006 Se puede comprobar que las concentraciones son bajas, en general, por debajo del valor límite anual de protección de ecosistemas (20 µg/m3) (figura 8). Las zonas que superan este valor límite se sitúan en las proximidades de grandes centrales térmicas (Andorra-Teruel, As Pontes y demás centrales de Galicia, Asturias y León y Palencia) o aglomeraciones industriales (Bailén y Algeciras) . En esta última zona los niveles parecen haber sido más altos que los de 2005 (ver figura 9). Las superaciones del valor límite diario (125 µg/m3) son escasas en su mayoría y las de más tres superaciones al año (máximo permitido por RD. 1073/2002) se sitúan en una relativamente extensa zona de Galicia, en el centro de Asturias y tres de León próximas a CCTT. CHIMERE también estima superaciones importantes en las proximidades de la CT Andorra en Teruel y Algeciras. Respecto al valor límite horario, las zonas afectadas por superaciones son prácticamente las mismas mostradas en los casos anteriores. Las zonas con más de 24 superaciones (máximo permitido por RD. 1073/2002) son relativamente pocas (una zona en Asturias, dos de León y la Bahía de
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Algeciras), generalmente están próximas a grandes CCTT o aglomeraciones industriales, aunque en la Bahía de Algeciras el tráfico marítimo tiene un impacto significativo. En las figuras del Apéndice I (1-36), se muestran las concentraciones (µg/m3) máximas de los valores medios horarios y diarios y medias de SO2 en cada mes de 2006. Se representan utilizando la misma escala de colores los valores calculados por el modelo (isolíneas) y los observados en estaciones (puntos negros rodeados de color). Todos los mapas están en coordenadas latitud-longitud. Al igual que en años anteriores, se puede apreciar que hay tres grandes zonas con niveles de SO2 por encima del resto ligadas a grandes instalaciones de combustión y grandes complejos industriales. La mayor de todas es la zona Noroeste englobando a gran parte de Galicia, Asturias y zonas de León y Palencia. Esta zona presenta una mayor concentración de CCTT. Además es la zona con mayor número de superaciones de valores límite. La segunda zona corresponde al Sureste del Valle del Ebro, donde también hay CCTT muy importantes. La última corresponde a la bahía de Algeciras, aunque se extiende por el Estrecho de Gibraltar y Mar de Alborán. En esta zona, complejos industriales muy importantes con centrales térmicas y refinerías, así como, con importante tráfico marítimo. Además, hay otras zonas mucho más pequeñas pero con unos niveles de concentración de SO2 importantes, próximos a tener superaciones de los valores límite. Son las zonas de Puertollano, Bailén, Puente Nuevo, Huelva, alguna zona de Cantabría, Bilbao, y Castellón, así como, Cartagena y Costa de Tarragona, además de alguna zona próxima a algunas CCTT. En el resto los niveles son generalmente bajos salvo algún hot-spot aislado, generalmente ligado a zonas urbanas e industriales, que se hacen más palpables por los mapas de valores máximos horarios, indicando una incidencias puntuales y transitorias (aunque frecuentes) de ciertas fuentes próximas. Las variaciones de los niveles máximos horarios y diarios a lo largo del año son pequeñas y no parecen seguir un patrón claro. Mas bien, parecen obedecer a variaciones en la actividad de las fuentes, especialmente CCTT, y a las características meteorológicas dominantes en cada mes. En las grandes ciudades, no se aprecia claramente un ciclo estacional relacionado con las calefacciones, puede ser debido a que el número de calderas de fuel, gasoil y carbón han disminuido mucho en las últimas décadas.
-10.4 -8.4 -6.4 -4.4 -2.4 -0.4 1.6 3.635
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0320406080100125350500700
2006 - CONCENTRACIÓN MEDIA ANUAL DE SO2 (microgr/m3)
2006
FIGURA 8. Concentraciones medias anuales (µg/m3) de SO2 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
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0.5
2006-SUPERACIONES DEL VALOR LÍMITE ANUAL DE SO2 (20 microg/m3)
FIGURA 9. Número de superaciones del valor límite anual (20 µg/m3) de SO2 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y
modelados.
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2006 - SUPERACIONES DEL VALOR LÍMITE DIARIO DE SO2 (125 microg/m3)
FIGURA 10. Número de superaciones del valor límite diario (125 µg/m3) de SO2 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
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2006-SUPERACIONES DEL VALOR LÍMITE HORARIO DE SO2 (350 microg/m3)
FIGURA 11. Número de superaciones del valor límite horario (350 µg/m3) de SO2 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
4.2 Resultados para PM10 - 2006 Del análisis de las figura 12, se desprende que, atendiendo a los valores de concentración media anual de 2006, los mayores niveles de PM10 se dan en ciudades, grandes zonas industriales y en las proximidades de algunas de las grandes CCTT. En general, las concentraciones son ligeramente inferiores a 2005. No obstante, se puede apreciar la existencia de tres zonas con niveles medios bastante diferenciados:
1. Zona Sur-Este (costa mediterránea, Valle del Guadalquivir y Valle del Ebro). En esta zona los niveles medios son altos (>30 µg/m3) según las estimaciones obtenidas con CHIMERE. Además, existen superaciones de los valores límite anual (figura 13) y límite diario (figura 14) en muchas zonas y hot-spots, en varias de las cuales, hay más de 35 superaciones anuales (máximo permitido por RD. 1073/2002). Hay varias zonas urbanas afectadas (Sevilla, Murcia, Córdoba, Cádiz, Jaén), zonas industriales o con CCTT (Bailen, Algeciras, Cartagena, Castellón, Almería, Andorra-Teruel, Huelva). Llama la atención la falta de datos en Cataluña y, más concretamente, en Barcelona. Ello es debido a que el número de datos válidos no ha superado el 90% en la mayoría de las estaciones catalanas, por lo que no han sido incluidas en los mapas.
2. Zona Norte (Galicia, Cantábrico, Norte de Castilla-León, Pirineos). Esta zona tiene niveles medios-bajos (entre 10 y 30 µg/m3). Sin embargo, tiene hot-spots importantes con superaciones del valor límite anual y más de 35 superaciones del diario, especialmente en Asturias y Cantabria, Vizcaya y Norte de León). Estas zonas incluyen fuentes industriales, urbanas o CCTT importantes.
3. Zona Interior (Mesetas y Extremadura). Tiene niveles moderados (entre 20 y 30 µg/m3), aunque también con marcados hot-spots, algunos urbanos como Madrid, Burgos, Albacete) y otros industriales (Puertollano)
En las figuras del Apéndice II (1-24), se muestran las concentraciones diarias máximas y medias de cada mes. En ellas, se confirma la división del territorio en las tres grandes zonas mencionadas. A diferencia de otros años (2005), no está clara la existencia de una variación estacional. Parece que los cambios entre meses son algo erráticos (hay meses aislados de bajos niveles de PM10 en invierno y verano junto a meses de niveles altos) y más ligados a la meteorología dominante en cada uno de los meses de 2006.
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-10.4 -8.4 -6.4 -4.4 -2.4 -0.4 1.6 3.635
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2006 - CONCENTRACIÓN MEDIA ANUAL DE PM10 (microgr/m3)
2006
FIGURA 12. Concentraciones medias anuales (µg/m3) de PM10 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
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-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4
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2006 - SUPERACIONES DEL VALOR LÍMITE ANUAL DE PM10 (40 microg/m3)
1
FIGURA 13. Número de superaciones del valor límite anual (40 µg/m3) de PM10 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
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2006 - SUPERACIONES DEL VALOR LÍMITE DIARIO DE PM10 (50 microg/m3)
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FIGURA 14. Número de superaciones del valor límite diario (50 µ /m3) de PM10 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) gcomo observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
27
4.3 Resultados para O3 - 2006 El mapa de concentraciones medias anuales de O3 (figura 15) muestra unos niveles por debajo de 90 µg/m3 en toda la Península Ibérica y Baleares, salvo algunos puntos al Norte de Castellón y zonas de Baleares. Se aprecia en los grandes núcleos urbanos como Madrid, Barcelona, Vizcaya, Asturias, Sevilla, valores incluso inferiores a 60 µg/m3. Analizando las superaciones del valor objetivo octohorario (120 µg/ gura 16), vemos que abundan en la costa mediterránea junto con parte del Valle del Guadalquivir, Cantábrico y Baleares y varias zonas próximas a zonas industriales y urbanas del interior, especialmente en la zona de Madrid, donde hay estaciones donde se supera más de 100 veces. Atendiendo a los valores extremos, vemos que las superaciones del umbral horario de información a la población (180 µg/m3) (figura 17) han sido menos frecuentes en la Comunidad de Madrid, aunque en zonas limítrofes hay un número importante de superaciones. Hay también zonas de un importante número de superaciones próximas a ciudades o zonas industriales (Huelva, Cádiz, Puertollano, El Bierzo, Cantabria, provincia de Barcelona, etc). Generalmente, son hot-spots, que son muy difíciles de capturar por los modelos trabajando a resoluciones del orden de 20 Km. El umbral de alerta horario (240 µg/m3) (figura 18) se superó solamente en Huelva, Puertollano y en una estación cántabra. Ya se apuntó en informes anteriores (Vivanco et al, 2005, 2006, 2007, 2008) y en artículos científicos (Vivanco et al, 2009) que CHIMERE parece subpredecir la concentración de ozono en algunas zonas, como Madrid, mientras que en otras como en el área mediterránea, la concordancia es mayor. En intercomparaciones con el modelo CMAQ (Jiménez-Guerrero et al, 2008) no se ha podido afirmar un comportamiento significativamente similar de un modelo respecto a otro en las zonas más problemáticas. En estudios, muy re s se comprobó la influencia que puede tener la resolución espacial con la que trabajan MM5 y CHIMERE en los resultados obtenidos. Vivanco et al (2008) han realizado simulaciones con MM5 y CHIMERE con resoluciones de 36 Km, 19 Km and 7 km aplicados al centro de la Península Ibérica. Se apreció que las simulaciones de mayor resolución mejoran los resultados en cierta medida al reproducirse algo mejor la meteorología y los procesos de transporte y dispersión, aunque menos de lo esperado. No obstante, MM5 sigue subprediciendo los máximos de temperatura, lo que tienen un impacto claro en la fotoquímica atmosférica y pueda afectar a la producción de ozono. Todas estas circunstancias hacen pensar que la desagregación espacial y temporal de las emisiones debe ser analizada y seguramente mejorada, y que debemos ir a resoluciones, tanto en emisiones como con los modelos, incluso mejores como ya se pudo ver para Madrid con los estudios de Palacios et al. (2002) con resolución de 5 Km con el modelo TVM para episodios concretos de contaminación fotoquímica.
m3) (fi
ciente
28
En las figuras del Apéndice III (1-36), se muestran las concentraciones áximas horarias y octohorarias, asi como, las concentraciones medias de
mayores de 120 µg/m3 entre los meses e Marzo y Octubre.
mcada mes. En todas estas gráficas se hace patente el marcado ciclo estacional con máximos en verano, especialmente en Julio y mínimos invernales, en correspondencia con los ciclos de temperatura y de radiación solar. En muchas zonas de España (Madrid, Cataluña, País Vasco, muchas zonas próximas a áreas urbanas e industriales y con CCTT), se dan concentraciones horarias superiores a 180 µg/m3 y octohorariasd
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-10.4 -8.4 -6.4 -4.4 -2.4 -0.4 1.6 3.635
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2006 - CONCENTRACIÓN MEDIA ANUAL DE O3 (microgr/m3)
2006
FIGURA 15. Concentraciones medias anuales (µg/m3) de O3 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
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442006 - SUPERACIONES DEL VALOR OBJETIVO OCTOHORARIO DE O3 (120 microg/m3)
FIGURA 16. Número de superaciones del valor objetivo octohorario horario (120 µg/m3) de O3 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
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442006 - SUPERACIONES DEL UMBRAL DE INFORMACIÓN DE O3 (180 microg/m3)
FIGURA 17. Número de superaciones del valor umbral de información (180 µg/m3 en una hora) de O3 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
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2006 - SUPERACIONES DEL UMBRAL DE ALERTA DE O3 (240 microg/m3)
FIGURA 18. Número de superaciones del valor umbral de información (240 µg/m3 en una hora) de O3 en 2006 tanto calc uladaspor el modelo (isolíneas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
34
35
4.4 Resultados para NO2 - 2006 Los mapas de medias anuales de NO2 (figura 19) y de superaciones valores límite horario (200 µg/m3) (figura 21) y anual (40 µg/m3) (figura 20) muestran que el NO2 es un problema principalmente urbano, como es de esperar, siendo el tráfico su principal emisor. No obstante, en zonas industriales es de esperar niveles altos. No es, por tanto, de extrañar que las superaciones se concentren en algunas estaciones urbanas, que están más afectadas por el tráfico. No hemos considerado estaciones etiquetadas de tráfico, pero a veces da la impresión que algunas estaciones urbanas parecen más bien de tráfico puro. No se detectan superaciones con los resultados del modelo CHIMERE, pero ello es debido a que muchas de las estaciones tienen una representatividad espacial muy limitada y claramente inferior a la resolución de la malla de cálculo de CHIMERE (0.2º x 0.2º, algo más de 20 x 20 Km), por lo que aportan una información de detalle muy importante que se complementa del modelo. Las estaciones afectadas por superaciones del valor límite horario están en Madrid, Barcelona y en Cantabria, Asturias, Navarra, Valladolid, Norte de Palencia, Andorra-Teruel, Puertollano y Sevilla. En Azuqueca de Henares, se excede el número máximo permitido de 18 superaciones al año (RD. 1073/2002). Las superaciones del valor límite anual se concentran en las áreas urbanas de Barcelona, Zaragoza y la Comunidad de Madrid. Analizando la variación de las concentraciones horarias máximas y medias de cada mes (Apéndice IV) y siguiendo la discusión por zonas diferenciadas como se detectó en otros años, se pueden encontrar los siguientes comportamientos:
1. Zona Noroeste (Galicia, Asturias, León), con una gran concentración de CCTT. Los niveles máximos se mantienen a lo largo del año con variaciones ligadas a condiciones meteorológicas sin apreciarse ciclos estacionales claros.
2. País Vaso, con aglomeraciones urbanas e industriales muy impor s. En este año, tampoco es evidente la variación estacional como en otros años (2003), cuando se apreciaron concentraciones algo más altas en invierno y más bajas en verano.
3. Zona de influencia de Madrid, una enorme aglomeración urbana y en menor medida industrial. En este año, vuelve a ser notable que las concentraciones son algo más altas en invierno y más bajas en verano.
4. Cataluña y Valencia, aunque con mayor intensidad en Cataluña, con aglomeraciones urbanas e industriales muy importantes. Concentraciones algo más altas en invierno y más bajas en verano.
5. Zona Sur (costa atlántico-andaluza y especialmente la zona del Estrecho de Gibraltar y Mar de Alborán), con importantes industrias, CCTT y tráfico marítimo. En esta zona no se aprecía una diferencia significativa entre verano e invierno en 2006.
de sus
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36
0
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-10.4 -8.4 -6.4 . 2.-4 4 - 4 -0.4 1.6 3.63
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006 - C
FIGURA 19. Concentraciones medias anuales (aciones
O N ANUAL DE NO2 (microgr/m3)
2006
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2 en 2006 tan. La escala de dos.
MEDIA
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38.5
39.5
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41.5
42.5
43.5
44.52006-SUPERACIONES DEL VALOR LÍMITE ANUAL DE NO2 (40 microg/m3)
0 to 1 1 to 5
3FIGURA 20. Número de superaciones del valor límite anual (40 µg/m ) de NO2 en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas)
como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y modelados.
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-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4
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2006 - SUPERACIONES DEL VALOR LÍMITE HORARIO DE NO2 (200 microg/m3)
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FIGU(isolí
RA 21. Número de superaciones del valor límite horario (200 µg/m3) de NO2 en 2006 tanto calculadas por el modelo neas) como observadas en estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos
observados y modelados.
39
40
4.5 Resultados para CO - 2006 En la figura 22, se muestran las concentraciones medias anuales. Puede comprobarse que los niveles son bajos. No se han apreciado superaciones del valor límite octohorario, ni en las estaciones consideradas (todas excepto las de tráfico), ni por el modelo CHIMERE. En el Apéndice V, se muestran los mapas de concentraciones octohorarias máximas y medias de cada mes. Se pueden apreciar que los niveles están bastante por debajo del valor límite en todo momento. No obstante, los valores más altos se dan en áreas urbanas e industriales con un claro ciclo estacional con máximos invernales y mínimos estivales.
de CO
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2006- CONCENTRACIÓN MEDIA ANUAL DE CO (miligr/m3)
2006
IGURA 22. Concentraciones medias anuales (mg/m3) de CO en 2006 tanto calculadas por el modelo (isolíneas) como observadas
odelados.Fen estaciones (puntos negros rodeados de color). La escala de colores es la misma para datos observados y m
42
tilizado dos dominios anidados (una cluyendo gran parte de Europa, y otro para la Península Ibérica y Baleares), y
ntraciones medias y áximas de esos contaminantes, así como, de frecuencias de superación. En
os, se ha representado tanto los resultados de CHIMERE como las de las estaciones. Esto ha permitido paliar ciertos inconvenientes
ión y limitada resolución espacial, ya que las mediciones han proporcionado mayor precisión a los mapas y mejor resolución, ya que varias estaciones son representativas de áreas más pequeñas que las celdas del modelo (algo más de 20x20 Km) y, por tanto, el modelo no puede llegar por sí sólo a ese nivel de detalle, a no ser que se trabaje con celdas más pequeñas a costa de un tiempo de computación mucho mayor. Hay que destacar que salvo en el caso de CO, en los demás contaminantes hay un número significativo de superaciones de los valores límite, que en algunos casos pueden exceder el máximo permitido por la legislación. Estas superaciones son más abundantes en el caso del PM10 y ozono, así como para el NO2 en concentraciones horarias y en menor medida en el SO2.
CONCLUSIONES Se ha llevado a cabo la reevaluación de la calidad del aire para el año 2006 con el modelo CHIMERE para ozono, óxidos de nitrógeno, partículas PM10, monóxido de carbono y dióxido de azufre. Para ello, se ha trabajado con el modelo meteorológico MM5, se han uinusando condiciones de contorno generadas por otros modelos de gran escala de prestigio. Se han calculado diversos parámetros como concentraciones medias y máximas en diversos períodos de tiempo para comprobar si hay superaciones o no de los valores límite y cuantas hay en cada punto del dominio tratado. Se han generado mapas de concemambos casmedicionesdel modelo, como imprecisión de la predicc
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