Simulació numèrica mesoscalar de l'ozó troposfèric a Catalunya

Abstract

[cat] L'ozó és un contaminant secundari que es pot trobar a la troposfera en quantitats elevades en les èpoques amb major radiació solar. Té efectes nocius sobre els éssers vius i per això és necessari controlar les seves concentracions amb estacions de mesura i models numèrics.

Amb l'objectiu de modelitzar les concentracions d'ozó troposfèric a Catalunya s'ha dissenyat un model de qualitat de l'aire (AQM) format per un model d'emissions, un model meteorològic i un model fotoquímic. El model s'ha aplicat a quatre casos d'estudi a l'any 2003.

L'AQM està format pels models MM5/MNEQA/CMAQ. El model d'emissions utilitzat és un model numèric que s'ha desenvolupat en aquesta tesi i utilitza metodologia top‐down i bottom‐up. El Model Numèric d'Emissions per a la Qualitat de l'Aire, MNEQA, considera les emissions biogèniques i antropogèniques d'òxids de nitrogen (NOx), hidrocarburs (VOC), monòxid de carboni (CO) i partícules (PM10, PM2.5). Té estructura modular i tot i que s'ha aplicat a la zona de Catalunya pot adaptar‐se a d'altres zones. L'anàlisi dels resultats per als casos d'estudi mostra un patró de les emissions coherent amb la distribució de la densitat de població. Les emissions són majors a la zona de Barcelona, rodalies i al llarg dels eixos principals de comunicació rodada. Una comparativa dels resultats amb un altre model (EMEP) mostra similitud en la quantitat diària de NOx, MNEQA atribueix a la zona d'aplicació del model (Catalunya) un 5% més de NOx que EMEP. Pel que respecta als VOCs, MNEQA atribueix un 18% menys que EMEP.

S'ha utilitzat el model meteorològic MM5 en mode no hidrostàtic per a les simulacions de les condicions atmosfèriques. La validació de les simulacions meteorològiques mostra una tendència del model MM5 a infraestimar la temperatura, essent més acusada en les hores amb temperatures elevades. A més el model tendeix a sobreestimar el mòdul del vent amb un RMSE de 1.7 m/s. No obstant els errors són d'ordre similar als donats en altres estudis publicats.

La simulació fotoquímica per als quatre casos d'estudi es va realitzar amb el model CMAQ. Les simulacions mostren diferents nivells de concentració d'ozó, essent superiors en els dos períodes d'agost per als quals es van observar temperatures elevades i nivells d'ozó que en alguns casos superaren el llindar d'informació a la població. El model no és capaç de reproduir les altes concentracions observades en algunes zones, però sí reprodueix la tendència. És possible que el model estigui limitat per un dèficit d'emissions de VOCs.

S'ha establert la base per a una estructura operativa en la modelització d'ozó, que ha demostrat un encert moderat en relació als valors observats. El model d'emissions és una nova eina per a l'estudi d'emissions i en la modelització de la qualitat de l'aire.

[eng] In order to study and forecast tropospheric ozone, an air quality modelling system (AQM) has been adapted to the north of Spain (Catalonia). High ozone episodes are observed every summer in Catalonia. The AQM is composed by a new emissions model (MNEQA), a meteorological model (MM5) and a photochemical model (CMAQ). The AQM was applied to four periods of summer 2003, in order to test the model in the region.

The Numerical Emissions Model for Air Quality (MNEQA) is presented in this work. The model was created to be used in photochemical simulations and emission control strategies relating to tropospheric ozone pollutants. MNEQA processes available local information from external files and is easily adaptable to any desired spatial resolution. Results in the studied area showed a pattern of emissions similar to the distribution of population. The emissions are bigger in Barcelona, in the surrounding area and in the main roads. A comparisson of the results with an other model (EMEP) showed similar results in NOx, MNEQA gives a 5% more of NOx than EMEP. While MNEQA disagrees with EMEP in a 18% for VOCs.

The photochemical simulation in the four cases of study showed different levels of ozone concentrations, being higher in the two periods of august in accord with the observations and the high temperatures. The AQM failed in forecasting some high levels in concrete areas, but it was able to reproduce the tendency. The model could be limitated by the emissions of VOCs.

The base for an opearative structure to model tropospheric ozone is established in this work. Nevertheless, the system has shown a moderate agreement with observations, the emissions model (MNEQA) has acted as a valuable tool in the study of emissions in air quality modelling.