Implementación de herramientas avanzadas de sensibilidad en modelos atmosféricos: El adjoint de CMAQ aplicado al caso de Bogotá

Abstract

Los métodos de análisis de sensibilidad aplicados a la modelación de la calidad del aire son herramientas de gran utilidad para determinar de dónde proviene la contaminación observada en una zona específica con relación a las emisiones producidas en regiones lejanas. Sin embargo, las aplicaciones clásicas de estos métodos presentan limitaciones de precisión, ya que pueden llegar a calcular sensibilidades erróneas debido a los procesos que utilizan para generar perturbaciones en las simulaciones. Por esta razón, en el presente estudio se implementó el método de análisis de sensibilidad ADJOINT del modelo CMAQ con el fin de demostrar la utilidad de este método en el proceso de atribución de fuentes contaminantes, utilizando como caso de estudio a la ciudad de Bogotá, Colombia, buscando encontrar cuáles son las emisiones regionales que más influyen en las concentraciones de O3 y NO presentes en la ciudad. Para esto se utilizó un dominio cuadrado de 118 x 118 celdas con una resolución de 27 kilómetros por lado de cada celda que abarcó la parte norte de Suramérica. Las simulaciones se llevaron a cabo en los periodos de febrero y septiembre de 2018 con el fin de observar la influencia de las diferencias en las condiciones meteorológicas y de emisión sobre los resultados. Para evaluar el desempeño del modelo se realizaron las pruebas definidas en su caso estándar de evaluación, Adicional a esto, se compararon los resultados obtenidos sobre Bogotá de las concentraciones de O3, NO, y PM2.5 y de algunas variables meteorológicas con los datos de una modelación realizada en WRF-Chem para el mismo dominio y periodos de simulación. Al mismo tiempo, los resultados generados por ambos modelos se compararon con los datos medidos por la Red de Monitoreo de Calidad del aire de Bogotá. Posterior a esto, se calcularon las sensibilidades de la presencia de O3 y NO en Bogotá con respecto a las emisiones de NO, NO2 y VOC's por separado.

Sensitivity analysis methods applied to air quality modeling are very useful tools to determine where the pollution observed in a specific area comes from in relation to emissions produced in distant regions. However, the classic applications of these methods have precision limitations, since they can calculate erroneous sensitivities due to the processes they use to generate disturbances in the simulations. For this reason, in the present study the ADJOINT sensitivity analysis method of the CMAQ model was implemented in order to demonstrate the usefulness of this method in the process of attribution of polluting sources, using the city of Bogotá as a case study. Colombia, seeking to find which are the regional emissions that most influence the concentrations of O3 and NO present in the city. For this, a square domain of 118 x 118 cells was used with a resolution of 27 kilometers per side of each cell that covered the northern part of South America. The simulations were carried out in the periods of February and September 2018 in order to observe the influence of differences in meteorological and emission conditions on the results. To evaluate the performance of the model, the tests defined in its standard evaluation case were carried out.In addition to this, the results obtained on Bogotá of the concentrations of O3, NO, and PM2.5 and of some meteorological variables were compared with the data of a modeling performed in WRF-Chem for the same domain and simulation periods. At the same time, the results generated by both models were compared with the data measured by the Bogotá Air Quality Monitoring Network. After this, the sensitivities of the presence of O3 and NO in Bogotá with respect to emissions of NO, NO2 and VOC's were calculated separately.