Modelado de la concentración de partículas PM10 en Costa Rica mediante el uso del modelo WRF-Chem
tesis de maestría
Fecha
2020-03-18Autor
Briceño Castillo, Jeff
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RESUMEN
En el presente trabajo de investigación se analizan, por primera vez en el
país, los niveles de concentración de PM10, utilizando simulaciones numéricas
realizadas con el modelo WRF (Weather Research and Forecasting) y su acople
químico. Además, se utilizan mediciones de PM10 provenientes de la Red de
Monitoreo de Partículas de la Universidad Nacional, para evaluar el desempeño del
modelo. En cuanto a las variables meteorológicas, los datos de Reanálisis ERAInterim
provenientes del ECMWF con resolución de 0,75 grados proveen las
condiciones iniciales y de frontera para el modelo WRF-Chem.
El modelado se realizó durante el periodo del 01 al 15 de agosto del año
2013, tiempo en el cual se presenció un evento de intrusión de polvos provenientes
del desierto de Sahara y el Sahel en la Capa Límite Atmosférica de Costa Rica. El
dominio seleccionado para este proyecto va desde una latitud de 0° a 40°N, y una
longitud desde los 40°E hasta los 90°O, con una resolución espacial de 25 x 25
Km.
Para las simulaciones, se utilizaron 3 distintos esquemas de polvo:
GOCART, GOCART con modificaciones AFWA, y GOCART con modificaciones
UoC. Todos los esquemas evidenciaron niveles de concentración de PM10 durante
el periodo del evento de intrusión de polvo al sector costarricense. Lo anterior
permitió visualizar el transporte de polvo desde la región africana hasta el Caribe y
Centroamérica, atravesando el Océano Atlántico producto de las condiciones
meteorológicas.
En cuanto a las mediciones, el esquema de polvo AFWA obtuvo la mejor
correlación; sin embargo, en relación con los demás parámetros estadísticos
calculados, el esquema UoC obtuvo el mejor desempeño en la evaluación
realizada. El error medio para este esquema obtuvo resultados muy acertados con
respecto a las referencias consultadas. Algunos otros parámetros como la
desviación estándar y la raíz del error cuadrático medio confirman que el esquema
UoC obtuvo los resultados más favorables.
El análisis de lluvia y viento se utilizó como herramienta para la búsqueda de
posibles errores en los resultados obtenidos. Por un lado, se concluyó que la lluvia
modelada fue ligeramente distinta en relación con las observaciones, siendo esta
una posible causa de error debido a la estrecha relación que tienen los aerosoles
con esta variable. Por otro lado, la magnitud de viento simulada no presentó
grandes diferencias respecto a las mediciones observadas.
El trabajo presentado es un primer paso hacia una gestión más efectiva de la
calidad del aire en Costa Rica, debido a que el modelo toma en cuenta variables
meteorológicas y características geográficas que permiten representar la
contaminación atmosférica con un criterio técnico más completo. Los mandatarios
encargados de la legislación ambiental y salud podrían utilizar como base este
estudio para promover actividades operativas y de pronóstico de contaminantes
atmosféricos que afectan la salud humana. ABSTRACT
In this study, for the first time in the country, the PM10 concentration levels
are analyzed, using numerical simulations performed with the WRF (Weather
Research and Forecasting) model and its chemical coupling. Furthermore, PM10
measurements from the Particle Monitoring Network of the Universidad Nacional of
Costa Rica are used to evaluate the performance of the model. Regarding the
meteorological variables, the ERA-Interim Reanalysis data from the ECMWF with a
resolution of 0.75 degrees provide the initial and boundary conditions for the WRFChem
model.
The modeling was carried out from 1 to 15 August 2013. During this period,
an event of dust intrusion from the Sahara and Sahel desert was witnessed in the
Atmospheric Boundary Layer of Costa Rica. The domain selected for this project
ranges from a latitude of 0 ° to 40 ° N, and a longitude from 40 ° E to 90 ° W, with a
spatial resolution of 25 x 25 km.
For the simulations, three different dust schemes were used: GOCART,
GOCART with AFWA modifications, and GOCART with UoC modifications. All the
schemes showed PM10 concentration levels, during the period of the dust intrusion
event, in the Costa Rican sector. This allowed to visualize the dust transport from
the African region to the Caribbean and Central American one, crossing the Atlantic
Ocean due to weather conditions.
The AFWA dust scheme obtained the best correlation in terms of
measurements; however, regarding the other statistical parameters calculated, the
UoC scheme obtained the best performance in the evaluation carried out. The
mean error for this scheme obtained very accurate results with respect to the
references consulted. Some other parameters such as the standard deviation and
the root mean square error confirmed that the UoC scheme obtained the most
favorable results.
The analysis of rain accumulation and wind magnitude was used as a tool to
search for possible errors in the results obtained. On one hand, it was concluded
that the modeled rain was slightly different regarding the observations, being a
possible cause of error due to the close relationship that aerosols have with this
variable in the atmospheric system. On the other hand, the simulated wind
magnitude did not show major differences with the observed measurements.
The work presented is a first step towards a more effective management of
air quality in Costa Rica, since the model takes into consideration meteorological
variables and geographical features that allow air pollution representation with a
more comprehensive technical criterion. The leaders responsible for the
environmental and health legislation could use this study as a basis to promote
operating and forecasting activities of air pollutants that affect human health. RESUMO
No presente trabalho, os níveis de concentração de PM10 são analisados
pela primeira vez no país, usando simulações numéricas realizadas com o modelo
WRF (Weather Research and Forecasting) e seu acoplamento químico. Além
disso, as medições de PM10 da Rede de Monitoramento de Partículas da
Universidade Nacional da Costa Rica são usadas para avaliar o desempenho do
modelo. Com relação às variáveis meteorológicas, os dados de Reanálise ERAInterim
do ECMWF com uma resolução de 0,75 graus fornecem as condições
iniciais e de fronteira para o modelo WRF-Chem.
A modelagem foi realizada de 1 a 15 de agosto de 2013, período em que um
evento de intrusão de poeiras do deserto do Saara e do Sahel foi testemunhado na
Camada Limite Atmosférica da Costa Rica. O domínio selecionado para este
projeto vai de uma latitude de 0 ° a 40 ° N e uma longitude de 40 ° E a 90 ° W, com
uma resolução espacial de 25 x 25 km.
Para as simulações, foram utilizados três esquemas de poeira diferentes:
GOCART, GOCART com modificações AFWA e GOCART com modificações UoC.
Todos os esquemas mostraram níveis de concentração de PM10 durante o período
do evento de intrusão de poeira no setor da Costa Rica. Isso permitiu visualizar o
transporte de poeira da região da África até o Caribe e a América Central,
atravessando o Oceano Atlântico devido às condições climáticas.
Quanto às medições, o esquema de poeira AFWA obteve a melhor
correlação; no entanto, em relação aos demais parâmetros estatísticos calculados,
o esquema UoC obteve o melhor desempenho na avaliação realizada. O erro
médio deste esquema obteve resultados muito precisos com respeito às
referências consultadas. Alguns outros parâmetros, como o desvio padrão e a raiz
do erro quadrático médio, confirmam que o esquema UoC obteve os resultados
mais favoráveis.
A análise da precipitação acumulada e da magnitude do vento foi utilizada
como ferramenta para buscar possíveis erros nos resultados obtidos. Por um lado,
concluiu-se que a precipitação modelada foi ligeiramente diferente em relação às
observações, sendo esta uma possível causa de erro devido à estreita relação que
os aerossóis mantêm com essa variável no sistema atmosférico. Por outro lado, a
magnitude do vento simulada não apresentou grandes diferenças em relação às
medições observadas.
O trabalho apresentado é o primeiro passo para uma gestão mais eficaz da
qualidade do ar na Costa Rica, dado que o modelo leva em consideração variáveis
meteorológicas e características geográficas que permitem representar a poluição
atmosférica com um critério técnico mais completo. Os mandatários responsáveis
pela legislação ambiental e de saúde poderiam usar este estudo como base para
promover atividades operacionais e de previsão de poluentes atmosféricos que
afetam a saúde humana.
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