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Modelación de la Meteorología y Calidad del Aire en la Ciudad de
MéxicoInvestigadores: Aron Jazcilevich, Agustín R. García,
Ernesto Caetano*, Víctor Magaña*, Gerardo Ruiz Suárez, Michel Grutter
Técnicos: Bertha Mar morales, Ricardo Torres, Xóchitl Cruz
Alumnos: Emanuel Díaz Nigenda, Williams Vázquez, Abraham Ortínez, Faustino Reyes, Alejandro García
Sección de Fisicoquímica de la AtmósferaCentro de Ciencias de la Atmósfera
UNAM
Temario• Introducción• El modelo computacional de calidad del aire MCCM
Aplicaciones y resultados– Tendencias de la contaminación fotoquímica– Líneas de confluencia sobre la ciudad de México– Flujos verticales circulares– Transporte de contaminantes a los valles contiguos– Interacción ciudad bosque
• Desarrollos actuales y futuros– Modelo de erosión– Nuevas tecnologías automotrices– Predicción de la calidad del aire– Urbanización del modelo MM5
• Conclusiones
IntroducciónSe describen los trabajos de investigación aplicada que se desarrollan en la sección de Fisicoquímica del CCA con respecto al problema de calidad del aire en la Ciudad de México.
Los objetivos de nuestro trabajo son:
• Conocer el fenómeno de la contaminación atmosférica
• Prever sus consecuencias
• Proveer información y herramientas en el estado del arte que ayuden en la toma de decisiones
Disciplinas para abordar el problema en forma integral:
• Fotoquímica (CCA)• Geografía Social (Instituto de Geografía)• Economía (INE)• Salud Pública (INE)• Modelación y Meteorología (CCA)• Modelación de la calidad del aire (CCA, IFU-IMK)• Ciencias de la Computación (DGSCA)• Medición experimental y percepción remota (CCA)• Sistemas de Información Geográfica (CCA, Instituto de
Geografía)• Emisiones vehiculares (CCA, Fac. de Ingeniería)
El Valle de México
• La Ciudad de México se encuentra en una cuenca a 2,200 metros sobre el nivel del mar
• Un lecho seco, remanente del Lago de Texcocode aprox. 5 by 8 km al Noreste
• Se encuentra rodeada de terreno complejo:– Un volcán activo (Popocatépetl) con altura de 5,000
metros sobre el nivel del mar en el Oeste Sur-Oeste– Sierras de hasta 3,000 metros en el Sur y en el Este
Popocatepetl
Ciudad de Mexico
Forzantes de la calidad del aire en la ciudad de México
• En el área metropolitana se genera casi el 30% del PIB del país
• Mas de 3,000 industrias• Cerca de 3.4 millones de automotores • 20 millones de litros de combustible al día.
Se tiene que:
• El Ozono rebasa la norma mas del 80% de los días del año
• Las partículas respirables empiezan a ser un problema
El sector transporte es el mas importante emisor de contaminantes y precursores de contaminantes
atmosféricos
70%40%98%Fuentes móviles
NOxHC’sCO
Desarrollo Urbano
• Población de la ciudad es de 18 millones
• Población para el 2020 se espera sea de 25 millones
9
Information Sources: INEGI, 1990, 1995,Delgado 2000 .Map maker: Tonatiuh Suárez Meaney. GeoEstrategias
General symbology:
Guía Roji Plane(2,933 hectareas)X= Number of plane
UTM Reference Point
Main avenue or regional way
X
Airport
Central market
Chapultepec Park
University
2,100,776.37
0 15Kilometers 30
Metropolitan Area of México City
2,211,427.83
447,696.072,
211,
427.
832,
100,
776.
37500,000 552,303.93
Circ
uito
Inte
rior
9
Perifé
rico W
ay
To Toluca
To C
uern
avac
a
To Querétaro
To P
achu
ca
To Tuxpan
To Puebla
Urban Growth 1953 - 1995
1953
1973
1993
1995
0
2
15
28
41
54
67
80
93
106
119
132
145
0
0
0
3
16
29
42
55
68
81
94
107
120
133
146
0
0
0
4
17
30
43
56
69
82
95
108
121
134
147
0
0
0
5
18
31
44
57
70
83
96
109
122
135
148
0
0
0
6
19
32
45
58
71
84
97
110
123
136
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0
0
0
7
20
33
46
59
72
85
98
111
124
137
150
0
0
0
8
21
34
47
60
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99
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151
0
0
0
9
22
35
48
61
74
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100
113
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152
0
0
0
10
23
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49
62
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88
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114
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153
0
0
0
11
24
37
50
63
76
89
102
115
128
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154
0
0
0
12
25
38
51
64
77
90
103
116
129
142
155
0
0
Modelo de calidad del Aire: Multiscale Climate and Chemistry
Model (MCCM IFU-IMK)Incluye módulos para calcular la fotólisis, emisiones antropogénicas y biogénicas, depositación, entre otros.
Usa el mecanismo fotoquímico RADM2
Usa al modelo MM5 para calcular la meteorología
La versión 3 tiene módulos para manejar PM10 y PM2.5
ClimaRegional
Predicción delTiempo
Modelo Global del Clima
Modelo Globalde predicción
Uso de sueloOrografia
Tipo de suelo
•Esquema de fotolisis Delta-Eddington•Modulo de emisiones biogénicasacoplado con radiaciòn y•Mecanismos químicos RADM2 o RACMpartículas finas y gruesas.•Modulo de depositación acoplado con parametrización de turbulencia de alto orden•Extension a la fase acuosa del RACM con WALCEK•Esquema de 3rd orden deSmolarkiewicz•Código en paralelo en diferentes estaciones de trabajo•Estimación de costos, daños y mitigación (a ser desarrollados)
Calidad delAire regional
EmisionesAntropogenicas
Depositación
Condiciones iniciales y frontera
de sus. Quími.
+
MM5 Version 3•3-D, no-hidrostatico con coordenadas que siguen el terreno con anidamiento flexible• Fisica de precipitación de fase mixta• Esquemas de nubes explicitos• Tecnica de asimilación FDDA• Diferentes opciones de esquemas Pbl• Interfase sencilla empleada en modelos de predicción y GCMs• Usado como sistema de predicción del tiempo en varios paises• Modelo avanzado de suelo de 5-capas
Fotoquímica: Relación no lineal de COV´s, NOx´s y flujo actínicoen la producción de Ozono
Resultados de la modelación
Comparativo mediciones vs. modelo
OzonoAcatlan
0
0.05
0.1
0.15
18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Hour
ppm rama
mccm
OzonoTlalnepantla
0
0.05
0.1
0.15
0.2
18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Hour
ppm rama
mccm
OzonoXalostoc
00.020.040.060.08
0.10.12
18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Hour
ppm rama
mccm
OzonoLa Merced
00.020.040.060.08
0.10.120.14
18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Hour
ppm rama
mccm
Aeropuerto 2001
Se proyectó que para el 2020 las métricas de Ozono bajarían, mientras que las de NOxsubirían.
Ozono
4
5
6
7
Extensión Severidad Exposición
Texcoco Hidalgo Actual
Bióxido de Nitrogeno
0
0.5
1
1.5
2
Extensión Severidad Exposición
Texcoco Hidalgo Actual
Información del GDFMáximo maximorum de concentaciones horarias de Dióxido de Nitrógeno (NO2),
1986 - septiembre 2005
0.3100.239
0.232
0.277
0.460
0.320
0.383
0.3270.391
0.444
0.463 0.448
0.421
0.279
0.304
0.2160.208
0.229
0.370
0.322
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Año
Con
cent
raci
ón (p
pm)
Máximo maximorum de concentraciones horarias de Ozono (O3), 1986 - septiembre 2005
0.475
0.3700.411 0.404
0.243
0.284
0.2710.282
0.321
0.307
0.318
0.323
0.349
0.312
0.405
0.4960.4930.500
0.222
0.226
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Año
Con
cent
raci
ón (p
pm)
Flujos atmosféricos en el Valle de México
Si bien la meteorología y las emisiones son los forzantes de la contaminación atmosférica, el terreno complejo induce flujos intrincados provocando fenómenos como fumigación vertical y confluencias locales.
Confluencias Locales
• Líneas de confluencia se forman sobre la ciudad (También ver: De Foy-A. Clappier).
• Se forman por la presencia de un sistema anticiclónico e interferencia topográfica
Velocidad vertical omega
subsidencia
Líneas de corriente mostrando un anticiclón sobre el centro de México,
Octubre 29, 1996.
Dentro de la zona metropolitana, las mediciones de SIMAT confirman la existencia de confluencias dentro de la zona metropolitana y que intentamos reproducir mediante modelación
Vectores de velocidad y distribución superficial medida del Ozono
(SIMAT)13:00 LST Enero 29, 2001
Interacción ciudad bosque
Confluencia NO
Confluencia Ozono
Confluencia compuestos
Transporte de contaminantes a otros valles
Flujos circulares verticales
• Patrones de viento circulares que producen fumigación vertical se pueden presentar en el Valle de México
• Como ejemplo véase la modelación para marzo 2, 1997:
Emisiones de partículas primarias respirables por erosión eólica son
estudiadas al incorporar a MCCM el modelo de erosión WEPS de la
Universidad de Kansas
Satélite vs. MCCM-WEPS
Predicción de calidad del aire
Ejemplos de Predicción
Emisiones Vehiculares
Obtener las emisiones representativas de automóviles bajo condiciones de la Cdad. de México.
Este tipo de información es adquirida por agencias gubernamentales que no tienen en mente la modelación de la fotoquímica.
FTIR Espectrometro
TOYOYA Prius 2003
Medición de Emisiones
0
100
200
300
400
flow
(mV)
0500
1000150020002500
RP
M
0
20
40
60
80
Km
/h
240
260
280
300
320
Bat
erie
s (V
)
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
-40
-20
0
20
40
Bat
erie
s (A
)
Ciclo manejo para el SO
20
40
60
80
100
Tail-
pipe
Te
mp
(°C
)
0100
200300400500
Cat
aliti
c C
onve
rter
AFT
ER
(C°)
0100
200300400500
Cat
aliti
c C
onve
rter
BEF
OR
E (C
°)
0
4
8
12
16
CO
2 (%
)
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
0
0.4
0.8
1.2
CO
(%)
CO2
CH4
NO
NH3
5 ciclos de manejo para la Cdad. de Mexico : SO, CE, NE, NO, SE
Simulador advisor
Pantalla de entrada de Advisor
Prius
SUV Convencional
Prius
SUV Convencional
Conclusiones
• La orografía compleja, la variedad de climas, de suelos y usos de suelo, junto con la presencia de una mega ciudad, proveen retos y oportunidades en el estudio de la contaminación atmosférica.
• Modelos meteorológicos como MM5 y de calidad del aire como MCCM, son herramientas muy útiles para este tipo de estudios.
Gracias a MM5 y MCCM se puede explicar o descubrir:
• Porqué y donde se presentan los picos de concentraciones en la ciudad debido a las confluencias locales
• La posible existencia de flujos circulares en la vertical
• Como la contaminación se transporta entre valles.
• La interacción entre ciudad y bosque
• Se han incorporado técnicas experimentales modernas para estimar las emisiones de fuentes móviles.
Presente y futuro• Se incorpora un modelo de emisiones de partículas primarias
debido a erosión
• Se estima la calidad del aire bajo escenarios de sustitución de nuevas tecnologías automotrices
• Se aumentara la resolución incorporando un modelo MM5 urbanizado (500m)
• Se implementa un modelo para la predicción de la calidad del aire.
• Se ha implementado el modelo en Acapulco, Chihuahua y Querétaro