Regional and urban evaluation of an air quality modelling system in the European and Spanish domains

Resumen

El impacto de la contaminación del aire es un tema crítico para el medioambiente y el clima. Una mala calidad del aire es un tema de importancia para la salud pública, especialmente en ambientes urbanos. El material particulado (PM), el ozono (O3) y el dióxido de nitrógeno (NO2) son los contaminantes más problemáticos en Europa y España. La Comisión Europea ha mostrado una gran preocupación por desarrollar técnicas que permitan incrementar el conocimiento sobre la dinámica de los contaminantes atmosféricos para asegurar el cumplimiento de la legislación y para informar a la población acerca de sus niveles. Además, la directiva europea 2008/50/CE establece la posibilidad de usar técnicas de modelización para informar sobre calidad del aire. Esta tesis doctoral está desarrollada en el marco de dos proyectos: El proyecto CALIOPE y el proyecto CICYT CGL2006-08903, ambos basados en la necesidad de desarrollar un sistema de calidad del aire que permita informar y entender los niveles de contaminación en Europa y España, con el objetivo de obtener un preciso pronóstico de la calidad del aire. Con ese propósito, el sistema de modelización CALIOPE se ha desarrollado con alta resolución espacial y temporal sobre Europa (12 km x 12 km y 15 capas, 1 hora), dominio madre, y España (4 km x 4 km y 15 capas, 1 hora), dominio anidado. CALIOPE consiste en un conjunto de modelos que tienen en cuenta la contaminación tanto antropogénica como natural. La disponibilidad del supercomputador MareNostrum, alojado en el Barcelona Supercomputer Center- Centro Nacional de Supercomputación, ha permitido trabajar a tan alta resolución. El objetivo principal de esta tesis es aumentar la confianza científica en el sistema CALIOPE, identificando sus puntos fuertes y débiles con un nivel de detalle que contribuya a establecer necesidades de mejora en el proceso de modelización. Por tanto, el presente trabajo ha evaluado espacial y temporalmente las simulaciones de calidad del aire sobre Europa y España en términos de O3, NO2, SO2, PM2.5 y PM10 en superficie sobre el año completo 2004. Para identificar el origen de las incertidumbres en la modelización del PM, su composición química ha sido también evaluada en ambos dominios. Las evaluaciones han sido realizadas sobre más de 150 estaciones de calidad del aire (más de 2 millones de datos experimentales). Además, esta tesis ha usado el sistema CALIOPE para analizar los patrones de calidad del aire sobre 2004, identificando claramente las áreas de contaminación. Las ideas más importantes que se desprenden de esta tesis son tres. Primero, las condiciones de contorno químicas basadas en un modelo global, como el LMDz-INCA2, son esenciales para modelizar el O3 troposférico sobre los dominios de estudio. Segundo, para simular la concentración de PM en el sur de Europa, tanto a escala rural como urbana, la contribución de polvo procedente del desierto del Sahara deber ser considerada debido a la proximidad al continente africano. La contribución del polvo del desierto a través del modelo BSC-DREAM8b ayuda satisfactoriamente a modelizar los picos de PM10 observados. Tercero, para ser capaz de modelizar la calidad del aire a escala urbana sobre España es esencial (1) una alta resolución espacial y temporal que permita describir fenómenos mesoescalares en áreas de topografía compleja , (2) un modelo de emisiones altamente desagregado como HERMES; (3) unos modelos que representen el estado actual del conocimiento en meteorología y química atmosférica