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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
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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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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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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
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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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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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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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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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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|