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

149

0

0

0

7

20

33

46

59

72

85

98

111

124

137

150

0

0

0

8

21

34

47

60

73

86

99

112

125

138

151

0

0

0

9

22

35

48

61

74

87

100

113

126

139

152

0

0

0

10

23

36

49

62

75

88

101

114

127

140

153

0

0

0

11

24

37

50

63

76

89

102

115

128

141

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