EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO DE CALIDAD DEL AIRE CALIOPE EN ESPAÑA 2013

          EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO DE  CALIDAD DEL AIRE CALIOPE EN ESPAÑA   2013          Barcelona Supercomputing Center   Departamento 

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    EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO DE  CALIDAD DEL AIRE CALIOPE EN ESPAÑA   2013          Barcelona Supercomputing Center   Departamento de Ciencias de la Tierra 

  Mayo del 2014   

                                                  Portada:  Pronóstico  de  CALIOPE  para  las  concentraciones  máximas  horarias  (1h)  en  superficie  de NO2 el 4 de diciembre de 2013, correspondiente al episodio de contaminación que  afectó a España del 3 al 14 de diciembre.    Autores:  Redacción: Gustavo Arévalo  Supervisión: José María Baldasano y María Teresa Pay  Soporte Técnico David Carrió y Kim Serradell  Departamento de Ciencias de la Tierra, Barcelona Supercomputing Center 

 

Fecha: 13‐Mayo‐2014 

Earth Sciences Department  Departamento de Ciencias de la Tierra

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013    

ÍNDICE      1.  2. 

Introducción ....................................................................................................... 7  Configuración del sistema de pronóstico CALIOPE .............................................. 9  2.1  Dominios de simulación ................................................................................... 10  2.2  Post‐proceso de las concentraciones simuladas ............................................. 10  2.3  Productos de pronóstico .................................................................................. 10  2.4  Sistema de evaluación operacional ................................................................. 10  3.  Evaluación del pronóstico de calidad del aire .................................................... 11  3.1.1  3.1.2 

Medidas de calidad del aire en España ............................................................... 11  Evaluación operacional ....................................................................................... 15 

3.2  Resumen  del  comportamiento  anual  del  sistema  para  el  dominio  de  la  Península Ibérica. ........................................................................................................ 18  3.2.1  3.2.2  3.2.3  3.2.4  3.2.5  3.2.6  3.2.7  3.2.8 

Ozono .................................................................................................................. 18  Dióxido de nitrógeno ........................................................................................... 26  Dióxido de azufre ................................................................................................. 33  PM10 ..................................................................................................................... 40  PM2.5 .................................................................................................................... 47  Evaluación frente a objetivos de calidad según la Directiva 2008/50. ................ 52  Mapas anuales de concentración ........................................................................ 53  Comparativa de resultados estadísticos CALIOPE IP 2013 vs 2011 ..................... 58 

3.3  Resumen del comportamiento anual del sistema para el dominio de las Islas  Canarias. ..................................................................................................................... 63  3.3.1  3.3.2  3.3.3  3.3.4  3.3.5  3.3.6  3.3.7 

4.  5.  6. 

Ozono .................................................................................................................. 64  Dióxido de nitrógeno ........................................................................................... 67  Dióxido de azufre ................................................................................................. 69  PM10 ..................................................................................................................... 71  PM2.5 .................................................................................................................... 73  Mapas anuales de concentración ........................................................................ 75  Comparativa de resultados estadísticos CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011 ................. 79 

Evaluación de la eficacia del sistema de predicción ........................................... 83  Resumen y conclusiones ................................................................................... 84  Referencias ....................................................................................................... 89 

  ANEXO I: Fichas de evaluación 2013      

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013    

ÍNDICE DE FIGURAS    Figura 1. Portal web del proyecto CALIOPE (www.bsc.es/caliope). ............................................................. 7  Figura 2. Esquema del sistema de pronóstico de la calidad del aire CALIOPE. ............................................ 9  Figura 3. Localización y cómputo de las estaciones de calidad del aire disponibles en 2013 ordenadas por  orden decreciente por CCAA. (a) Número total de estaciones, (b) número de estaciones para O3,  (c)  número  de  estaciones  para  NO2,  (d)  número  de  estaciones  para  SO2,  (e)  número  de  estaciones  para  PM10  y  (f)  número  de  estaciones  para  PM2.5.  Estaciones  rurales  (R,  en  azul),  suburbanas (S, en verde) y urbanas (U, en amarillo) ................................................................... 13  Figura 4. (a) Localización de los focos de los sectores SNAP03 y SNAP04 y de las estaciones de calidad del  aire en la Bahía de Algeciras. b) Localización de los focos de emisiones del sector SNAP01 y de  las estaciones de medida en noroeste de España. Estaciones rurales(azul), suburbanas (verde) y  urbanas (amarillo) ........................................................................................................................ 15  Figura  5.  Localización  de  las  estaciones  de  calidad  del  aire  en  los  dos  grandes  núcleos  urbanos  de  España:  (a)  Madrid  y  (b)  Barcelona.  Estaciones  rurales  (azul),  suburbanas  (verde)  y  urbanas  (amarillo) ...................................................................................................................................... 15  Figura 6. Porcentaje de estaciones de O3 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4,  de  acuerdo  a  dos  clasificaciones  de  las  estaciones:  (1)  área  (urbana,  suburbana,  rural)  y  (2)  emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.  ...................................................................................................................................................... 21  Figura  7.  Evaluación  del  O3  horario  en  las  estaciones  RedESP  disponible  de  acuerdo  a  los  criterios  de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.  ...................................................................................................................................................... 22  Figura 8. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de tráfico  Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ........................................... 23  Figura 9. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de fondo  Arturo Soria (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto. ................................................. 23  Figura 10. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico  Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ................................................... 24  Figura 11. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de tráfico  de Badalona (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ............................... 24  Figura  12.  Series  temporales  mensuales  de  O3  de  mayo  a  agosto  de  2013  en  la  estación  suburbana  industrial de la Cartuja (Sevilla): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ................................... 25  Figura 13. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana de  Fondo Vic Zona Universitaria (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ................... 25  Figura 14. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana de  Fondo Algete (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ................................................ 26  Figura 15. Porcentaje de estaciones de NO2 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla  4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2)  emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.  ...................................................................................................................................................... 29  Figura 16. Evaluación del NO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.  ...................................................................................................................................................... 30  Figura  17.  Series  temporales  mensuales  de  NO2  de  mayo  a  agosto  de  2013  en  la  estación  urbana  Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ........................................... 31  Figura 18. Series temporales mensuales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana fondo  de Plaza del Carmen (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ..................................... 31  Figura 19. Series temporales mensuales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico  Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ..................................... 32 

  

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013     Figura 20. Series temporales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Badalona  (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto Dióxido de azufre ..................................... 32  Figura 21. Porcentaje de estaciones de SO2 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla  4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2)  emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.  ...................................................................................................................................................... 36  Figura 22. Evaluación del SO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.  ...................................................................................................................................................... 37  Figura 23. Series temporales mensuales de SO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico  Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ........................................... 38  Figura  24.  Series  temporales  mensuales  de  SO2  de  mayo  a  agosto  de  2013  en  la  estación  urbana  industrial Campus Carmen (Huelva): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ............................ 38  Figura 25. Series temporales mensuales de SO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana fondo  Algeciras EPS (Andalucía): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ............................................ 39  Figura 26. Localización de las estaciones de calidad del aire con medición de SO2 y su calificación para el  MB en la Bahía de Algeciras. En la figura también se muestran los principales focos de emisión  del  sector  SNAP01  en  esta  zona.  Estaciones  rurales  (azul),  suburbanas  (verde)  y  urbanas  (amarillo) ...................................................................................................................................... 39  Figura  27.  Porcentaje  de  estaciones  de  PM10  pertenecientes  a  cada  criterio  de  calidad  propuesto  en  Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y  (2)  emisión  (tráfico,  industrial  y  fondo).  N  indica  el  número  total  de  estaciones  en  cada  categoría. ...................................................................................................................................... 43  Figura 28. Evaluación del PM10 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.  ...................................................................................................................................................... 44  Figura 29. Series temporales mensuales de PM10 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico  Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ............................. 45  Figura 30. Series temporales mensuales de PM10 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico  Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ..................................... 45  Figura 31. Series temporales mensuales de PM10 de mayo a agosto de 2013 en la estación rural fondo  Guadalix Sierra (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ............................... 46  Figura 32. Series temporales mensuales de PM10 de mayo a agosto de 2013 en la estación rural fondo  Sierra Norte (Sevilla): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ..................................... 46  Figura  33.  Porcentaje  de  estaciones  de  PM2.5  pertenecientes  a  cada  criterio  de  calidad  propuesto  en  Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y  (2)  emisión  (tráfico,  industrial  y  fondo).  N  indica  el  número  total  de  estaciones  en  cada  categoría. ...................................................................................................................................... 49  Figura 34. Evaluación del  PM2.5 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.  ...................................................................................................................................................... 50  Figura 35. Series temporales mensuales de PM2.5 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico  Alcorcón (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ......................................... 51  Figura 36. Series temporales mensuales de PM2.5 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana  industrial Cortijillos (Andalucía): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 .................... 51  Figura 37. Histograma de frecuencia de ERD para las concentraciones horarias de O3 (a), máximas diarias  8h de O3  (b)  y horarias de NO2 (c) y PM10 (d), en función del entorno (izquierda) y la emisión  (centro). Porcentaje total de estaciones en cada rango del histograma (derecha). .................... 52  Figura 38.  Concentración  de O3  media  (abril  –  septiembre)  pronosticada  por  el  sistema  CALIOPE  en el  2013. ............................................................................................................................................. 54  Figura 39. Concentración media anual de NO2 pronosticada por el sistema CALIOPE en el 2013. ............ 55  Figura 40. Concentración media anual de SO2 pronosticada por el sistema CALIOPE en el 2013. ............ 56 

  

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013     Figura 41. Concentración media anual de PM10 pronosticada por el sistema CALIOPE en el 2013. .......... 57  Figura  42.  Concentración  media  anual  de  PM2.5  pronosticada  por  el  sistema  CALIOPE  en  el  2013.             (a) CMAQ 5.0.1 (b) CMAQ 5.0.1 + BSC‐DREAM8bv2 .................................................................... 59  Figura 43. Red de estaciones de calidad del aire del archipiélago de Canarias. Estaciones rurales (R, en  azul), suburbanas (S, en verde) y urbanas (U, en amarillo) .......................................................... 64  Figura 44. Estaciones de O3 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (ver Tabla 4) .. 65  Figura 45. Evaluación del O3 horario en las estaciones RedESP disponibles de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio  ...................................................................................................................................................... 66  Figura 46. Estaciones de NO2 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (ver Tabla 4) 67  Figura 47. Evaluación del NO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio  ...................................................................................................................................................... 68  Figura 48. Estaciones de SO2 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (ver Tabla 4).69  Figura 49. Evaluación del SO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio  ...................................................................................................................................................... 70  Figura 50. Estaciones de PM10 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (Tabla 4) .... 71  Figura 51. Evaluación del PM10 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio  ...................................................................................................................................................... 72  Figura 52. Estaciones de PM2.5 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (Tabla 4) ... 73  Figura 53. Evaluación del PM2.5 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de  calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio  ...................................................................................................................................................... 74  Figura 54. Concentración de O3 media (abril – septiembre) pronosticada por el sistema CALIOPE‐CAN en  el 2013. ......................................................................................................................................... 75  Figura  55.  Concentración  media    anual  de  NO2  (arriba)  y  SO2  (abajo)  pronosticada  por  el  sistema  CALIOPE‐CAN en el 2013. ............................................................................................................. 76  Figura 56. Concentración media  anual de PM10 pronosticada por el sistema CALIOPE‐CAN en el 2013. (a)  CMAQ 5.0.1) y (b) CMAQ 5.0.1+BSC‐DREAM8bv2 ....................................................................... 77  Figura 57. Concentración media  anual de PM2.5 pronosticada por el sistema CALIOPE‐CAN en el 2013. (a)  CMAQ 5.0.1) y (b) CMAQ 5.0.1+BSC‐DREAM8bv2 ....................................................................... 78         

  

 

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013    

  ÍNDICE DE TABLAS    Tabla 1. Estudios de CALIOPE publicados en revistas internacionales y otros. ............................................ 8  Tabla 2. Histórico de la configuración del sistema CALIOPE para el dominio de la Península Ibérica ....... 11  Tabla 3. Descripción de los estadísticos utilizados para la evaluación ....................................................... 16  Tabla 4. Criterios de calidad para la evaluación del sistema CALIOPE definidos en función de parámetros  estadísticos  (coeficiente  de  correlación,  r;  bias  medio,  Bias;  error  cuadrático  medio,  RMSE)  teniendo en cuenta estudios y resultados previos. ...................................................................... 17  Tabla 5. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones  de O3 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada  en  µg  m‐3;  MOD,  media  modelizada  en  µg  m‐3;  Bias,  bias  medio  en  µg  m‐3;  r,  media  de  los  coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ....................................... 18  Tabla 6. Series temporales de O3 seleccionadas como ejemplo para el año 2013. ................................... 20  Tabla 7. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones  de  NO2  en  superficie  en  base  horaria.  #estaciones,  número  de  estaciones;  OBS,  media  observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media  de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ............................ 26  Tabla 8. Series temporales de NO2 seleccionadas como ejemplo para el año 2013. ................................. 28  Tabla 9. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones  de  SO2  en  superficie  en  base  horaria.  #estaciones,  número  de  estaciones;  OBS,  media  observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media  de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ............................ 33  Tabla 10. Series temporales de SO2 seleccionadas como ejemplo para el año 2012. ................................ 35  Tabla 11. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones  de  PM10  en  superficie  en  base  horaria.  #estaciones,  número  de  estaciones;  OBS,  media  observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media  de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ............................ 40  Tabla 12. Series temporales de PM10 seleccionadas como ejemplo para el año 2013. ............................. 42  Tabla 13. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones  de  PM2.5  en  superficie  en  base  horaria.  #estaciones,  número  de  estaciones;  OBS,  media  observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media  de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ............................ 47  Tabla 14. Series temporales de PM2.5 seleccionadas como ejemplo para el año 2013. ............................. 48  Tabla  15.  Resumen  de  los  principales  estadísticos  de  la  evaluación  CALIOPE‐IP  2013  vs  2011,  para  el  ozono ............................................................................................................................................ 60  Tabla  16.  Resumen  de  los  principales  estadísticos  de  la  evaluación  CALIOPE‐IP  2013  vs  2011,  para  el  dióxido de nitrógeno .................................................................................................................... 61  Tabla  17.  Resumen  de  los  principales  estadísticos  de  la  evaluación  CALIOPE‐IP  2013  vs  2011,  para  el  dióxido de azufre .......................................................................................................................... 61  Tabla 18. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐IP 2013 vs 2011 para PM10 62  Tabla 19. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐IP 2013 vs 2011, para PM2.5  ...................................................................................................................................................... 63  Tabla  20.  Estadísticos  anuales  de  CALIOPE‐CAN  2013  frente  a  medidas  de  la  RedESP  para  las  concentraciones de O3 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS,  media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r,  media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. .................. 64  Tabla  21.  Estadísticos  anuales  de  CALIOPE‐CAN  2013  frente  a  medidas  de  la  RedESP  para  las  concentraciones de NO2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, 

  

 

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media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r,  media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. .................. 67  Tabla  22.  Estadísticos  anuales  de  CALIOPE‐CAN  2013  frente  a  medidas  de  la  RedESP  para  las  concentraciones de SO2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS,  media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r,  media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. .................. 69  Tabla  23.  Estadísticos  anuales  de  CALIOPE‐CAN  2013  frente  a  medidas  de  la  RedESP  para  las  concentraciones  de  PM10  en  superficie  en  base  horaria.  #estaciones,  número  de  estaciones;  OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐ 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ........... 71  Tabla  24.  Estadísticos  anuales  de  CALIOPE‐CAN  2013  frente  a  medidas  de  la  RedESP  para  las  concentraciones  de  PM2.5  en  superficie  en  base  horaria.  #estaciones,  número  de  estaciones;  OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐ 3 ; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ........... 73  Tabla 25. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011, para el  ozono ............................................................................................................................................ 80  Tabla 26. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011, para el  dióxido de nitrógeno .................................................................................................................... 80  Tabla 27. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011, para el  dióxido de azufre .......................................................................................................................... 81  Tabla  28.  Resumen  de  los  principales  estadísticos  de  la  evaluación  CALIOPE‐CAN  2013  vs  2011,  para  PM10 .............................................................................................................................................. 82  Tabla  29.  Resumen  de  los  principales  estadísticos  de  la  evaluación  CALIOPE‐CAN  2013  vs  2011,  para  PM2.5 ............................................................................................................................................. 82  Tabla 30. Porcentaje de la eficiencia técnica del sistema de pronóstico CALIOPE. .................................... 83  Tabla  31.  Porcentaje  de  días  pronosticados  correctamente  desde  20090101  a  20140505  para  los  dominios de trabajo en función de cada modelo que integra el sistema CALIOPE. ..................... 83  Tabla 32. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 para la Península Ibérica por contaminante. #estaciones,  número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; r,  media de coeficientes de correlación; Bias, bias medio en µg m‐3; RMSE, error cuadrático medio  en µg m‐3. Criterios de calidad definidos en Tabla 4: Muy Bueno (MB) y  Bueno (B). .................. 85  Tabla  33.  Estadísticos  anuales  de  CALIOPE‐CAN  2013  para  las  Islas  Canarias  por  contaminante.  #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada  en  µg  m‐3;  r,  media  de  coeficientes  de  correlación;  Bias,  bias  medio  en  µg  m‐3;  RMSE,  error  cuadrático  medio  en  µg  m‐3.  Criterios  de  calidad  definidos  en  Tabla  4:  Muy  Bueno  (MB)  y   Bueno (B). ..................................................................................................................................... 87 

                      

 

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1. INTRODUCCIÓN  El sistema de pronóstico de la CALIdad del aire Operacional Para España (CALIOPE) del  Departamento de Ciencias de la Tierra del Barcelona Supercomputing Center ‐ Centro  Nacional  de  Supercomputación  (BSC‐CNS),  proporciona  de  forma  operacional  el  pronóstico  de  la  calidad  del  aire  para  Europa  y  España  a  alta  resolución  espacial  y  temporal  a  través  del  conjunto  de  modelos  HERMES,  WRF‐ARW,  CMAQ  y  BSC‐ DREAM8b  y  ejecutados  en  el  superordenador  MareNostrum.  El  sistema  ha  sido  financiado  por  el  Ministerio  de  Agricultura,  Alimentación  y  Medio  Ambiente  (441/2006/3‐12.1,  A357/2007/2‐12.1  y  157/PC‐08/3‐12‐.0).  La  Figura  1  presenta  el  aspecto  del  portal  web  del  sistema  de  pronóstico  de  calidad  del  aire  CALIOPE  (www.bsc.es/caliope).   

  Figura 1. Portal web del proyecto CALIOPE (www.bsc.es/caliope).   

El sistema CALIOPE, proporciona pronósticos de calidad del aire a 24 y 48 horas, con  resolución temporal de 1h, para Europa y España  con una resolución horizontal de 12  km x 12 km y 4 km x 4 km, respectivamente, con anidamientos sobre las comunidades  autónomas de Canarias a 2 km x 2 km y Cataluña, Madrid y Andalucía a 1 km x 1 km  (Figura  1,  www.bsc.es/caliope).  CALIOPE  proporciona  la  concentración  horaria  en  superficie de O3, NOx, CO, SO2, PM10, PM2.5 y benceno.  El sistema CALIOPE es una herramienta orientada a los gestores de la calidad del aire y  a  los  ciudadanos,  en  general,  que  permite  conocer  con  antelación  los  niveles  de  la    

 

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calidad  del  aire  y  su  dinámica  a  nivel  europeo  y  español.  El  sistema  funciona  operacionalmente desde septiembre del año 2007.  El  sistema  CALIOPE  para  España  incluye  un  proceso  de  corrección  del  bias  de  las  concentraciones  pronosticadas  basado  en  el  filtro  de  Kalman  (Sicardi  et  al,  2012).  Además,  consta  de  un  módulo  de  evaluación  en  tiempo  real,  en  inglés  denominado  Near Real Time (NRT), que permite el cálculo de diferentes estadísticos a partir de las  medidas de más de 400 estaciones de calidad del aire. Del mismo modo, se evalúa en  continuo el funcionamiento del modelo meteorológico, y el perfil vertical de ozono.  Además  del  sistema  de  evaluación  en  NRT,  el  sistema  se  ha  evaluado  en  modo  diagnóstico,  con  base  en  año  2004,  en  diferentes  estudios  publicados  durante  los  últimos años y en modo pronóstico con base en los años 2009, 2011, y 2013 (Tabla 1).   

Tabla 1. Estudios de CALIOPE publicados en revistas internacionales y otros.  Dominio  Europa  Portugal  España 

Barcelona   Madrid  Andalucía  Cataluña 

Modo  Diagnóstico  Diagnóstico  Pronóstico  Diagnóstico  Diagnóstico  Diagnóstico  Pronóstico  Diagnóstico   Diagnóstico  Pronóstico  Diagnóstico  Pronóstico  Pronóstico  Diagnóstico  Pronóstico 

Referencia  Pay et al. (2010, 2012a) Basart et al. (2012a) Borrego et al. (2011) Baldasano et al. (2011) Pay et al. (2011, 2012b) Sicardi et al. (2012) Pay et al. (2012c)  Gonçalves et al. (2012) Gonçalves et al. (2009) Pay et al. (2014) Gonçalves et al. (2009) Pay et al. (2014) Pay et al. (2014) Jiménez et al. (2008) Aguilera et. al (2013)

Año evaluado  2004 2004 2010 2004 2004 2004 2011 2004 2004 2013 2004 2013 2013 2006 2007/2008

Resolución  horizontal  12 km x 12 km  12 km x 12 km  4 km x 4 km  4 km x 4 km  4 km x 4 km  4 km x 4 km  4 km x 4 km  4 km x 4 km  1 km x 1 km  1 km x 1 km, 4 km x 4 km 1 km x 1 km  1 km x 1 km, 4 km x 4 km 1 km x 1 km, 4 km x 4 km 24 km x 24 km  4 km x 4 km 

 

El  objetivo  de  este  documento  es  evaluar  el  funcionamiento  del  sistema  de  pronóstico  de  calidad  del  aire  CALIOPE  para  el  año  2013  desde  un  doble  punto  de  vista.  Primero,  mostrar  la  calidad  de  los  pronósticos  de  calidad  del  aire  en  base  a  diferentes criterios de calidad utilizando medidas en superficie. Por último, mostrar  la eficacia del sistema como infraestructura informática.  La sección 2 de este documento describe las principales características del sistema de  pronóstico de calidad del aire CALIOPE en cuanto a su configuración y productos que  proporciona como herramienta de pronóstico. La sección 3 presenta la metodología de  evaluación  el  sistema  desde  el  punto  de  vista  de  la  calidad  de  los  pronósticos  de  calidad  del  aire  y  los  principales  resultados.  La  sección  4  presenta  un  análisis  de  la  eficiencia del sistema de predicción, para la Península Ibérica y para las Islas Canarias.  La sección 5 resume los principales resultados y conclusiones de este informe. 

  

 

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2. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO CALIOPE  El  sistema  integra  los  siguientes  modelos  WRF‐ARW/HERMES/CMAQ/BSC‐DREAM8b  (Figura  2).  El  modelo  WRF‐ARW  v3.5  proporciona  la  información  meteorológica  (www.wrf‐model.org). Las emisiones se derivan del modelo HERMESv2 (High Elective‐ Resolution  Modelling  Emission  System)  (Guevara  et.  al  2012).  CMAQ  v5.0.1  es  el  modelo  de  transporte  químico  usado  para  la  dispersión  y  transformación  de  los  contaminantes  (www.cmaq‐model.org).  El  sistema  también  considera  la  contribución  de polvo natural y su aportación al material particulado (PM) a partir del modelo BSC‐ DREAM8bv2 (Pérez et al 2006a, 2006b; Basart et al. 2012b).   

Figura 2. Esquema del sistema de pronóstico de la calidad del aire CALIOPE. 

 

  Una  de  las  componentes  más  importantes  en  un  modelo  de  calidad  del  aire  son  las  emisiones. En CALIOPE se ha desarrollado un modelo específico de emisiones “bottom‐ up” para España, el modelo HERMES v2.0 (Guervara et al., 2013). HERMES gestiona sus  bases  de  datos  en  un  entorno  SIG  y  la  parte  de  cálculo  está  programada  en  C++.  El  modelo  calcula  las  emisiones  de  gases  y  material  particulado,  considerando  tanto  emisiones  antropogénicas  (tráfico  rodado  incluida  la  resuspensión,  marítimo  y  aéreo  en puertos y aeropuertos, sector industrial, generación eléctrica, y sector doméstico y  comercial)  como  biogénicas.  Los  cálculos  se  realizan  en  base  horaria,  desde  una  resolución espacial de 1 km x 1 km, y con base informativa de los años 2009 y 2010. 

  

 

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2.1 Dominios de simulación  CALIOPE  utiliza  como  dominio  inicial  Europa  (12  km  x  12  km),  denominado  dominio  madre. Posteriormente, realiza  anidamientos en Península Ibérica (4 km x 4 km), y alta  resolución  en  las  Islas  Canarias  (2  km  x  2  km)  y  las  comunidades  autónomas  de  Andalucía, Cataluña y Madrid a (1 km x 1 km). 

2.2 Post‐proceso de las concentraciones simuladas  Se  utiliza  la  técnica  del  filtro  de  Kalman  para  corregir  los  bias  sistemáticos  en  las  concentraciones  modeladas  en  superficie  de  O3,  NO2,  PM10  y  PM2.5  a  partir  de  la  observaciones en las estaciones de RedESP, como se describe en Borrego et al. (2011)  y Sicardi et al. (2012). 

2.3 Productos de pronóstico  El sistema CALIOPE proporciona pronósticos de calidad del aire para España a 24 horas  (D0) y 48 horas (D1) para los principales contaminantes (O3, NOx, CO, SO2, PM10, PM2.5  y  desde el 2013 benceno) en base horaria. La información se divulgada a través de la  página web (www.bsc.es/caliope) mediante mapas de concentración en superficie en  formato  *.gif  (cada  6  horas,  máximos  D0,  máximos  D1  y  animaciones)  sobre  la  Península Ibérica y sobre las comunidades autónomas a modo de zoom.   Los mapas de concentración animados, para los pronósticos a 24 y 48h en resolución  horaria,    también  están  disponibles  en  formato  *.kmz  para  visualizarlos  con  Google  Earth. Esto es una herramienta útil para cruzar los pronósticos de calidad del aire con  otras fuentes de información georeferenciadas.   También está disponible un archivo a través del cual se puede acceder al histórico de  las predicciones horarias desde febrero del 2007.  

2.4 Sistema de evaluación operacional  El  sistema  CALIOPE  cuenta  con  un  módulo  de  evaluación  que  funciona  en  modo  operacional,  el  cual  compara  los  resultados  del  modelo  en  superficie  con  datos  medidos hora a hora en sobre estaciones pertenecientes a la RedESP. Esta aplicación  permite  al  usuario  conocer  en  tiempo  casi  real  la  fiabilidad  del  sistema  (www.bsc.es/caliope/evaluacion).    El  sistema  CALIOPE  genera  de  manera  operativa  desde  el  2009,  los  siguientes  productos de evaluación al acceder a cada estación:    ‐ ‐ ‐

  

Series temporales quincenales para cada contaminante.   Series temporales mensuales para cada contaminante.  Fichas  de  evaluación  anual  acumulada.  Esta  ficha  proporciona  un  análisis  integrado de la evaluación por estación, en la cual se incluyen el O3, NO2, SO2, 

 

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PM10 y PM2.5. Es una ficha dinámica, pues se va actualizando semanalmente de  manera operativa (desde el 2011).  La  descripción  detallada  de  las  ficha  de  evaluación  se  incluye  en  el  Anexo  I,  junto  a  cual  se  adjuntan  las  fichas  de  evaluación  de  todas  la  estaciones  utilizadas en la evaluación 2013.  En  la  Tabla  2  se  recoge  la  configuración  del  sistema  CALIOPE  para  el  dominio  de  la  Península  Ibérica,  desde  junio  del  2007,  momento  en  que  se  comenzó  a  generar  el  pronóstico de forma operacional.    Tabla 2. Histórico de la configuración del sistema CALIOPE para el dominio de la Península Ibérica  Versión  CALIOPE Cv1‐fcst

Fecha

Meteo

Desde 2007‐06

WRF‐ARW v2.2.1

Emisiones* UE HERMES‐2004  (EMEP, 2004)

Desde 2009‐06

PI HERMES‐2004  (EMEP, 2004)

Condiciones de  contorno

Química

Polvo

Filtro de  Kalman*

DREAM

Sintéticas (6)



LMDz‐INCA diario

Desde 2011‐02‐11 WRF‐ARW v3.0.1.1 Desde 2011‐02‐28 Cv2‐fcst

Desde 2011‐05‐03

WRF‐ARW v3.2.1

HERMES‐2004+  EMEP (2008)

HERMES_DIS v.2.0  EMEP (2008)

Desde 2012‐03‐12 Desde 2012‐06‐22

WRF‐ARW v3.3.1

Desde 2012‐08‐14

Cv3‐fcst

Desde 2012‐09‐17

WRF‐ARW v3.5 

Desde 2013‐02‐08

WRF‐ARW v3.2.1

HERMES‐2004+  HERMES _DIS v2.1  EMEP (2009)  EMEP (2009)   Incluye MEGAN Incluye MEGAN

CMAQ v4.5 BSC‐DREAM8b

LMDz‐INCA media  mensual 2004

HERMESv2 + EMEP (2009) CMAQ v5.0.1

Desde 2013‐08‐30

BSC‐DREAM8b  v2

NCAR MOZART‐ 4/GEOS‐5 (6h) 

WRF‐ARW v3.5  Desde 2014‐03‐14

NO2, PM10 y  PM2.5 (Para  O3 está  aplicado  desde 15‐jun‐ 2010)

HERMESv2 + EMEP (2011)

 

3. EVALUACIÓN DEL PRONÓSTICO DE CALIDAD DEL AIRE  En este apartado se analizan los resultados de la evaluación de sistema CALIOPE en el  año 2013, considerando la aplicación del filtro de Kalman en postproceso, utilizando la  red  española  de  la  calidad  del  aire  RedESP.  Metodología  de  evaluación  de  los  pronósticos de calidad del aire  3.1.1

Medidas de calidad del aire en España  

Para  la  evaluación  operacional  de  los  pronósticos  de  calidad  del  aire  del  sistema  CALIOPE durante el 2013 en el dominio de España se han utilizado los  valores de las  estaciones  de  medida  disponibles  de  la  red  española  de  calidad  del  aire  (RedESP),  gestionadas  por  cada  comunidad  autónoma.  La  evaluación  se  realiza  para  los  contaminantes O3, NO2, SO2, PM10 y PM2.5, para las cuales se dispone de una completa  red de estaciones y medidas. En el caso del benceno, solo se dispone de observaciones 

  

 

Fecha: 13‐Mayo‐2014 

Earth Sciences Department  Departamento de Ciencias de la Tierra

 

Sistema CALIOPE 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013    

para 22 estaciones y la mitad está en la Comunidad de Madrid, por tanto no ha sido  evaluado.  La  Figura  3a  representa  la  localización  de  las  443  estaciones  que  durante  el  2013  enviaron  datos  de  manera  operativa  para  la  evaluación  del  sistema,  de  estas  el  45%  son estaciones urbanas, el 29% estaciones suburbanas y el 26% son estaciones rurales.  Respecto al año 2011, se ha incrementado el número de estaciones con observaciones  de 344 a 443 estaciones, especialmente en las comunidades, en Castilla y León (de 1 a  18),  Extremadura  (de  1  a  7),  País  Vasco  (de  32  a  44),  La  Rioja  (de  0  a  5)  y  en  menor  medida  Castilla‐La  Mancha  (de  10  a  14),  además  se  considera  el  dominio  de  las  Islas  Canarias dentro de la evaluación con 33 estaciones, aunque su tratamiento se hará de  forma independiente.  Las instituciones que proporcionaron estos datos son:  1. European Enviromental Agency  (EEA)  2. Generalitat de Catalunya  3. Gobierno de Cantabria  4. Junta de Andalucía  5. Gobierno de Canarias  6. Comunidad de Madrid 

7. Ayuntamiento de Madrid  8. Govern de les Illes Balears  9. Xunta de Galicia  10. Gobierno de La Rioja  11. Gobierno Extremadura  12. Junta de Castilla y León  13. Junta de Castilla‐La Mancha 

  Por contaminante, el número total de estaciones disponible es el siguiente (Figura 3):  ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

309 estaciones de O3: 43% urbanas, 29% suburbanas y 28% rurales.  370 estaciones de NO2: 48% urbanas, 29% suburbanas y 23% rurales.  278 estaciones de SO2: 48% urbanas, 29% suburbanas y 23% rurales.  229 estaciones de PM10: 49% urbanas, 29% suburbanas y 22% rurales.  69 estaciones de PM2.5: 45% urbanas, 32% suburbanas y 23% rurales. 

  El  NO2  es  el  contaminante  con  mayor  cantidad  de  estaciones  de  medida  con  370  y  el  contaminante con menos estaciones es el PM2.5 con 69 concentradas mayoritariamente  en Andalucía y Canarias, siendo principalmente estaciones suburbanas en un 45%.  Los contaminantes NO2, SO2 y PM10 comparten aproximadamente la misma distribución  por  tipo  de  estación,  con  un  48%  de  estaciones  urbanas,  un  29%  de  estaciones  suburbanas y un  23% de estaciones rurales. El contaminante con mayor porcentaje de  estaciones  rurales  es  el  O3  con  un  28%,  manteniendo  la  misma  proporción  que  los  anteriores para las estaciones suburbanas con 29%.  En  cuanto  a  la  cobertura  espacial,  las  comunidades  autónomas  más  densamente  pobladas  ‐Andalucía,  Cataluña,  Madrid  y  Comunidad  Valenciana,  pero  que  ocupan  el  15%  del  territorio  y  concentran  cerca  del  60%  de  la  población  española  (INE  2011)  presentan  el  mayor  número  de  estaciones  de  medida  (84,  80,  47  y  47, 

  

 

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Sistema CALIOPE 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013    

respectivamente). Por el contrario, la comunidades autónomas con menor densidad de  población ‐Castilla y León, Castilla–La Mancha, Aragón y Extremadura‐ que comprenden  el 52% del territorio y albergan el 15% de la población (INE 2011)‐ presentan el menor  número de estaciones (18, 14, 6 y 7, respectivamente).      a) 

Total= 443, Urbanas=116, Suburbanas=127 y Rural=200

 

Número total de estaciones de la RedEsp

 

b) 

Total= 309, Urbanas=133, Suburbanas=91 y Rural=85

 

Número de estaciones de O3

 

Figura 3. Localización y cómputo de las estaciones de calidad del aire disponibles en 2013 ordenadas  por orden decreciente por CCAA. (a) Número total de estaciones, (b) número de estaciones para O3, (c)  número de estaciones para NO2, (d) número de estaciones para SO2, (e) número de estaciones para  PM10 y (f) número de estaciones para PM2.5. Estaciones rurales (R, en azul), suburbanas (S, en verde) y  urbanas (U, en amarillo) 

  c)  Total= 370, Urbanas=178, Suburbanas=108 y Rural=84

Número de estaciones de NO2 

  

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013    

  d)  Total= 278, Urbanas=133, Suburbanas=81 y Rural=64

Número de estaciones de SO2 

  e)  Total= 229, Urbanas=112, Suburbanas=66 y Rural=51

Número de estaciones de PM10 

  f)  Total= 69, Urbanas=31, Suburbanas=22 y Rural=16

Número de estaciones de PM2.5 

Figura 3. Continuación. 

La  disponibilidad  de  estaciones  entorno  a  la  principales  zonas  industriales  en  España  presenta una buena cobertura en el área de la costa Mediterránea, valle del río Ebro y  Guadalquivir  y  Gibraltar  (Figura  4a).  Sin  embargo,  la  zona  de  noroeste  español  que  comprende  las  provincias  de  Asturias  y  León,  una  de  las  zonas  más  importantes  de  concentración de centrales térmicas en España no queda suficientemente cubierta por  las estaciones de medida (Figura 4b).    

  

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013     b) 

a) 

Figura 4. (a) Localización de los focos de los sectores SNAP03 y SNAP04 y de las estaciones de calidad  del aire en la Bahía de Algeciras. b) Localización de los focos de emisiones del sector SNAP01 y de las  estaciones de medida en noroeste de España. Estaciones rurales(azul), suburbanas (verde) y urbanas  (amarillo)   

En las áreas urbanas de Madrid y Barcelona, se concentran gran parte de las estaciones  de  calidad  del  aire,  ver  Figura  5,  donde  obviamente,  las  estaciones  presentes  son  principalmente de tipo urbano y de éstas en su mayoría de tráfico y de fondo.  b) 

a) 

  Figura 5. Localización de las estaciones de calidad del aire en los dos grandes núcleos urbanos de  España: (a) Madrid y (b) Barcelona. Estaciones rurales (azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo) 

3.1.2

Evaluación operacional 

Para la evaluación del sistema CALIOPE en el año 2013 utilizaremos los productos que se  generan  de  manera  operativa,  ver  apartado  2.4  y  http://www.bsc.es/caliope/evaluacion. 

  

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013    

En una primera parte se muestra la evaluación para el dominio IP con resolución de 4  km x  4 km, y en la segunda parte la evaluación para el dominio de las Islas Canarias con  resolución 2 km x 2 km.  En función del dominio, para evaluar de manera global el rendimiento anual del sistema  CALIOPE se han definido unos criterios de calidad con base a los estadísticos siguientes:  coeficiente de correlación (r), bias medio (MB) y error cuadrático medio (RMSE).   Descripción de los parámetros estadísticos utilizados para la evaluación se muestran en  la siguiente Tabla.  Tabla 3. Descripción de los estadísticos utilizados para la evaluación   Parámetro estadístico 

Fórmula  N

Coeficiente de  correlación (r) 

r

 (C i 1

N

 (C i 1

i m

i m

_

N

C

i 1

Error cuadrático medio  (RMSE) 

N

_

 (C

 Cm ) 2

MB  

Bias medio (MB) 

_

 C m )(C oi  C o )

RMSE 

N

 i 1

i 1

i m

i o

_

 Co ) 2

 

 C oi    N

C

i m

 Coi  N   2

i

Donde,  C m  es la concentración pronosticada para la hora i,  C m  es el valor promedio modelado  durante  el  periodo  N, 

C oi   es  la  concentración  observada  para  la  hora  i,  y  C o   es  el  valor 

promedio observado durante el periodo N.

  La determinación del rango correspondiente a cada métrica se ha determinando a partir  de  varias  fuentes  de  información  ya  publicadas  (Pay  et  al.,2010,  2012c;  Baldasano  et  al.,2011). Los criterios de calidad propuestos (Tabla 4) son función del contaminante y  clasifican el comportamiento del modelo en 5 clases:   ‐ ‐ ‐ ‐ ‐  

  

Muy bueno (MB)  Bueno (B)  Aceptable (A)  Malo (M)  Muy Malo (MM)   

 

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013     Tabla 4. Criterios de calidad para la evaluación del sistema CALIOPE definidos en función de parámetros  estadísticos (coeficiente de correlación, r; bias medio, Bias; error cuadrático medio, RMSE) teniendo en  cuenta estudios y resultados previos.  Contaminante     O3  

NO2 

SO2 

PM10 

PM2.5 

   (*) valor ideal 

 

  

Muy Bueno (MB)  Bueno (B)  Aceptable (A)  Malo (M)  Muy Malo (MM)  Muy Bueno (MB)  Bueno (B)  Aceptable (A)  Malo (M)  Muy Malo (MM)  Muy Bueno  Bueno (B)  Aceptable (A)  Malo (M)  Muy Malo (MM)  Muy Bueno  Bueno (B)  Aceptable (A)  Malo (M)  Muy Malo (MM)  Muy Bueno  Bueno (B)  Aceptable (A)  Malo (M)  Muy Malo (MM) 

 

Bias (µg/m3) MB = 0* |MB| 

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