GuiaAERMOD

Guía de modelación de la dispersión local de contaminantes gaseosos y partículas con el Sistema de modelos AERMOD.

 Au to r: M.Sc M.Sc Leonor Turt ós Carbonell

Otros Autores1:

Colaboradores:

Leonor Turtós Carbonell Lariza Curbelo Garea Madeleine Sánchez Gácita Norberto Díaz Rivero Elieza Meneses Ruiz Jesús Rivero Oliva Ernesto Paz Ortega Diosdado Alonso García Feliberto de la Cruz Monte de Oca9 1

 

2 3 4 5 6 7 8 9

Alfredo Roque Rodríguez2 Rolando Soltura2 Lourdes Alvarez2 Osvaldo Cuesta Santos3 Arnaldo Collazo Aranda3 Saturnino Pire Rivas4 Enrique Molina Esquivel5 Orlando Álvarez Hernández6 María de los A. Padrón7 Lázaro Rabelo Parra8

CubaEnergía Centro de Física de la Atmósfera, INSMET Centro de Contaminación y Química Atmosférica, INSMET Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría, ISPJAE Instituto nacional de Higiene, Epidemiología y Microbiología, INHEM Centro de Investigaciones del Petróleo, CEINPET Empresa de Ingeniería para la Electricidad, INEL Unión Nacional Eléctrica, UNE Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, INSTEC La Habana, Marzo 2010

 ________________________________________________________________ ________  ________________________________________________________________________  ________Esta Guía constituye la Salida 1 del 2007 del Proyecto PRN/5-2/2al Programa Ramal Nuclear “Sistema de Modelos AERMOD para dispersión local de contaminantes atmosféricos”. Ha sido actualizada posteriormente de acuerdo a las experiencias de modelación adquiridas.

INDICE RESUMEN .............................................................................................................................. 3 1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 3 2 METODOLOGÍA .......................................................................................................... 4 2.1 AERMAP ............................................................................................................. 4 2.2 Uso de suelos ..................................................................................................... 5 2.3 AERMET ............................................................................................................. 7 2.3.1 Datos meteorológicos ..................................................................................... 8 2.3.1.1 Datos de superficie ................................................................................. 8 2.3.1.2 Datos de sondeo .................................................................................. 10 2.3.2 Versión desarrollada en CUBAENERGIA que no exige datos de sondeo. ¡Error! Marcador no definido. 2.3.2.1 Metodología para la capa de mezcla mecánica ....¡Error! Marcador no definido. 2.3.2.2 Metodología para capa de mezcla convectiva .......¡Error! Marcador no definido. 2.3.2.3 Resultados .............................................¡Error! Marcador no definido. 2.3.3 Albedo, tasa de Bowen y rugosidad de la superficie. .................................. 12 2.4 AERMOD .......................................................................................................... 13 2.4.1 Datos para los mecanismos de Deposición ................................................ 13 2.4.1.1 Resistencia cuticular..............................¡Error! Marcador no definido. 2.4.2 Modelación de fuentes de área .................................................................... 14 CONCLUSIONES ................................................................................................................. 14 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 15 TABLAS Tabla 1 Categorías de uso de suelo para AERMET y AERMOD ......................................... 5 Tabla 2. Categorías de uso de suelo empleadas por la USGS y en qué categoría de AERMET y AERMOD está comprendida. .............................................................................. 6 Tabla 3. Archivos necesarios para la ejecución de AERMET: Listado de ejemplo. ............. 7 Tabla 4. Formato de datos de los observatorios ................................................................... 9 Tabla 5. Formato de datos en las estaciones automáticas ................................................... 9 Tabla 6. Ecuaciones básicas de las distintas opciones implementadas ....¡Error ! Marcador no definido. Tabla 7. Valores por defecto por estaciones para el albedo, la tasa de Bowen y la rugosidad de la superficie. ................................................................................................... 12 Tabla 8. Archivos necesarios para la ejecución de AERMOD: Listado de ejemplo ........... 13 Tabla 9. Constantes del mecanismo de deposición de gases en el AERMOD .................. 13 FIGURAS Figura 1. Resultados comparativos de las alturas de la capa de mezcla convectiva usando la herramienta de Lakes Environmental y los datos de sondeo. ...........¡Error! Marcador no definido. Figura 2. Resultados comparativos de las alturas de la capa de mezcla convectiva usando la opción 1 vs los datos de sondeo para caso de prueba EPA EX03. ..¡Error! Marcador no definido. Figura 3. Resultados comparativos de las alturas de la capa de mezcla convectiva usando la opción 2 vs los datos de sondeo para caso de prueba EPA EX03. ..¡Error! Marcador no definido.

Figura 4. Resultados comparativos de las alturas de la capa de mezcla convectiva usando la opción 3 vs los datos de sondeo para caso de prueba EPA EX03. ..¡Error! Marcador no definido.

RESUMEN

La propuesta de Guía para la modelación de la dispersión local de contaminantes gaseosos y partículasi  tiene como objetivo proponer cuales metodologías y modelos deben ser usados en el país para la modelación de la dispersión de los contaminantes atmosféricos. La Norma Cubana que trata el temaii, en lo referente a los modelos de dispersión de contaminantes atmosféricos, no ha cambiado en los últimos 20 años y no refleja los últimos avances de la ciencia en modelación de la dispersión. La consideración de modelos que no son previstos en la Norma Cubana: el SCREEN3 para estudios de sondeo, el ISCST3, el ISC-PRIME y el AERMOD para estudios locales detallados, el CALPUFF para estudios regionales de corto alcance (entre 50 y 300 km), y el CALINE para fuentes lineales; entre otros; permite valoraciones más representativas que introducen en el país la aplicación de modelos que están al nivel del estado del arte internacional. La citada Guía recomienda de forma inmediata el uso de los modelos SCREEN3 y Berlyand  para estudios de sondeo en dos niveles de análisis y el ISCST3 y el ISC-PRIME para estudios detallados a escala local, según el enfoque de análisis por niveles. Se considera imprescindible ejecutar los estudios detallados considerando la elevación real de los receptores, la deposición húmeda de contaminantes gaseosos y partículas y la deposición seca de partículas. También recomendaba se continuaran los trabajos de asimilación y de preparación y/o modificación de programas auxiliares, con el objetivo de valorar el posible uso del  AERMOD  para los estudios detallados a escala local y el modelo CALPUFF  para estudios regionales de corto alcance. La Ampliación de la Guía con el Sistema de modelos AERMOD es precisamente la salida que se presenta, aunque no se propone como obligatorio dada la relativa complejidad que presenta en el procesamiento de los datos, y los elevados tiempos de cálculo. La principal dificultad que se presenta en el país para el uso de los modelos detallados, es la disponibilidad de datos meteorológicos, fundamentalmente de aire superior. Se presentan metodologías alternativas para estimar las variables meteorológicas necesarias en AERMET (pre-procesador meteorológico del sistema). 1

INTRODUCCIÓN

Muchas actividades industriales, en particular las energéticas que involucran a combustibles fósiles pudieran ser altamente contaminantes y afectar de manera directa la calidad del aire y consecuentemente, la salud humana. Conocer en que proporciones se ve afectada la calidad del aire dependiendo de factores que caracterizan la fuente contaminante, la localización de los receptores, los datos meteorológicos, la topografía y uso del terreno; es importante a la hora de trazar las estrategias de desarrollo energético, para lo cual es imprescindible el uso de modelos de calidad de aire, estos modelos simulan los procesos físico-químicos que afectan y transforman los contaminantes en el aire y estiman los incrementos de las concentraciones de los contaminantes primarios que son emitidos directamente a la atmósfera y, en algunos casos, los contaminantes secundarios resultantes de reacciones químicas que tienen lugar en la misma.. Estos modelos son útiles para identificar la contribución de las fuentes a la contaminación del aire y sirven de apoyo a la hora de buscar soluciones para mitigar la contaminación atmosférica. Dentro de los modelos de calidad de aire están los clasificados como de dispersión, los cuales son usados para estimar la concentración de contaminantes en

receptores que rodean las fuentes a determinado nivel sobre la tierra, estos a su vez pueden ser divididos en: modelos de dispersión local o regional, dependiendo de la distancia de la fuente en la que se dispersan los contaminantes. La Agencia de Protección Ambiental de los EUA (Environmental Protection Agency, EPA) estableció el 21 de octubre del 2005 el sistema de modelos AERMOD como el modelo de uso recomendado para la dispersión de contaminantes a escala local, en sustitución del ISCST3, hasta ese momento usadoiii. Ha sido demostrado y documentado, tanto por evidencias científicas como por estudios de validación, que el AERMOD representa un sólido y significativo avance respecto al ISCST3. La formulación del AERMOD ha sido sometida a una revisión profunda e independiente, concluyéndose que las bases científicas del AERMOD están al nivel del estado del arte de la ciencia iv, v, vi, vii. Por otra parte, en el sitio web www.epa.gov./scram001, se encuentran disponibles diecisiete Bases de Datos con resultados de mediciones en diferentes ambientes (terreno llano o complejo, áreas rurales y urbanas, con o sin obstáculos importantes en el terreno) que fueron usadas para evaluar los resultados del modelo y que pueden ser descargadas libremente para tareas propias de validación. En comparación con el ISCST3, AERMOD contiene algoritmos nuevos o mejorados para: 1) dispersión tanto en la capa límite estable como convectiva; 2) flotabilidad y elevación de la pluma; 3) penetración de la pluma dentro de la inversión elevada; 4) tratamiento de fuentes elevadas y bajas; 5) perfiles verticales de viento, temperatura y turbulencia y 6) tratamiento de receptores en todo tipo de terrenos. Una descripción más detallada de la comparación entre el ISCST3 y el AERMOD se presenta al final. Como resultado del proyecto al Programa Nacional Desarrollo Energético Sostenible “Externalidades ambientales atmosféricas de la generación eléctrica” se presentó la Propuesta de Guía para realizar los estudios de dispersión local de contaminantes gaseosos y partículas en el paísviii. Dicha guía propone el uso del ISCST3 en el mayor nivel de detalle, aunque es necesaria su ampliación para incluir el sistema de modelos AERMOD. Como resultado de las investigaciones del proyecto se propone la siguiente guía para realizar los estudios de dispersión local de contaminantes atmosféricos gaseosos y partículas si se utiliza el Sistema de modelos AERMOD. 2

METODOLOGÍA

El sistema de modelos  AERMOD , además del AERMODix  como tal, incluye dos preprocesadores de datos de entrada que son componentes regulatorios del sistema: el AERMETx, pre-procesador de datos meteorológico y el AERMAPxi, pre-procesador de los datos del terreno. Se considera que en corto plazo se adicione el AERSURFACE, un preprocesador de datos de uso de suelos. Mientras esto ocurre, se propone una metodología que combina el uso de un Sistema de Información Geográfica, que procesa la capa de uso de suelo con una aplicación en MSExcel, UsodeSuelo.xls, desarrollada en CUBAENERGÍA. 2.1

AERMAP

AERMAP es el pre-procesador de los datos del terreno para AERMOD. A partir de un Modelo Digital de Elevación (MDE) de la zona a estudiar obtiene la altura respecto al nivel del mar de cada fuente y receptor a considerar. Para los receptores obtiene además un nuevo dato exigido por AERMOD: la “pendiente” (HILL). Aermap.exe, versión 04300 de la EPA, solo admite archivos de elevación digital del terreno en formato USGS dem. Entonces, si se dispone de archivos en otros formatos es necesario convertirlos. Por ejemplo, para usar archivos en formato GTOPO30, una vez seleccionada el área que

interesa del archivo de 40 x 40 grados de Latitud y Longitud, w100n40.dem por ejemplo, convertirla a formato USGS dem en UTM, creando tantos archivos como combinaciones de grados de latitud/longitud sean necesarios. Para ejecutar AERMAP fuera de cualquier ambiente visual es necesario crear previamente el archivo de control, Aermap.inp, localizarlo en el mismo directorio que Aermap.exe y ejecutar directamente. Existen datos libres en Internet que se pueden utilizar para realizar cálculos preliminares. Se propone usar, por ejemplo: Formato GTOPO30:   MDE con resolución de 30 arcos de segundo (~ 900 m), en proyección Latitud/Longitud WGS84 que se puede descargar libremente de www.webgis.com/terr_world.html. Se utilizaron los archivos w100n40.dem y w140n40.dem

•

Formato SRTM (Shuttle Radar Topography Mission): MDE con resolución de 3 arcos de segundo (~ 90 m), en proyección Latitud/Longitud. Cada archivo corresponde a un grado de latitud y longitud. Para el dominio local de dimensiones máximas (100 x 100 km) se podrían necesitar hasta 9 archivos. Las latitudes y longitudes anteriores son las coordenadas del punto superior izquierdo de la celda (dirección NW).

•

Los datos de elevación obtenidos por esta vía tienen una resolución 10 veces mejor pero por obtenerse de imágenes espaciales, cuyo tratamiento se basa fundamentalmente en los colores, falsea la información para los cuerpos de agua, por lo que se propone combinar sus resultados con los del GTOPO30. 2.2

Uso de suelos

Algunos parámetros usados por AERMET y por AERMOD dependen del uso de suelo del dominio de modelación. En la Tabla 1 se muestran las categorías de uso del suelo a considerar en AERMET y en AERMOD. En el AERMET, la clasificación de uso del suelo es necesaria para estimar el albedo, la tasa de Bowen y la rugosidad de la superficie, que son realmente los datos de entrada de AERMET. En AERMOD las categorías de uso del suelo por sectores son datos de entrada directos, utilizados para definir parámetros en los algoritmos de deposición seca de gases. Tabla 1 Categor ías de uso de suelo para AERMET y AERMOD  AERMET Cuerpo de agua Bosqu e caducifo lio Bosqu e de coníferas Pantano o humedal Terreno agrícola Pradera Zona urbana Desierto

AERMOD Zona urbana sin vegetación Terreno agrícola Terreno de pastizal Bosq ue Área sub-urbana cubi erta de hierba Área sub-urb ana bosc osa Cuerpo de agua Terreno árido, prin cipalmente desierto Humedal no boscoso

Se propone una metodología que combina el uso de un Sistema de Información Geográfica, que procesa la capa de uso de suelo con una aplicación en MSExcel, UsodeSuelo.xls , desarrollada en CUBAENERGÍA, en tanto la EPA publique el AERSURFACE.

La capa de uso de suelos se obtuvo de la Base de Datos (BD) internacional “North America land cover data base”, la cual forma parte de la BD “Global Land Cover Characteristics Data Base” (http://LPDAAC.usgs.gov/glcc/glcc.asp) de la Inspección Geológica de los Estados Unidos (USGS, del inglés: United States Geological Survey) que incluye todos los continentes. Los datos comparten las mismas proyecciones (Interrupted Goode Homolosine y Lambert Azimuthal Equal Area) y tienen una resolución de 1000 m. Se propone emplear los datos en la proyección Lambert Azimuthal Equal Area que, a diferencia de la proyección Interrupted Goode Homolosine, está soportada directamente en la mayoría de los SIG de amplio uso, como por ejemplo ArcGis. Los datos están en una imagen raster de una sola banda y sin encabezado, en la cual para cada celda de 1000 x 1000 m existe un valor que corresponde a una clasificación de uso de la tierra en 24 categorías según se muestra en la Tabla 2. En la misma se muestra además la correspondencia entre las categorías establecidas en la base de datos y el AERMET y el AERMOD. Tabla 2. Categorías de uso de suelo empleadas por la USGS y en qué categoría de  AERMET y AERMOD está compr end ida. USG  AERME  AERMO Categoría S T D 1 7 1 Zona urbana 2 5 2 Tierras de cultivos y pastos sin regadío 3 5 2 Tierras de cultivos y pastos irrigadas Mezcla de tierras de cultivos y pastos sin regadío / 4 5 2 irrigadas Mosaico de cultivo y pastizales 5 5 3 6 5 3 Mosaico de cultivo y bosques 7 6 3 Pastizales 8 8 8 Arbustos 9 6 3 Mezcla de arbustos y pastizales 10 6 3 Sabana 11 2 4 Bosques caducifolios de hojas anchas 12 2 4 Bosques caducifolios de coníferas 13 3 4 Bosques perennes de hojas anchas 14 3 4 Bosques perennes de hojas finas 15 3 4 Bosques mixtos 16 1 7 Cuerpos de agua 17 4 9 Humedales herbáceos 18 4 4 Humedales boscosos Terreno árido o de escasa vegetación 19 8 8 20 Tundra herbácea Tundra boscosa 21 Tundra mixta 22 23 Tundra sin vegetación 24 Nieve o hielo

Mediante un Sistema de Información Geográfica (SIG), la capa de uso de suelo se intercepta con una capa que representa la zona de estudio (radio máximo de 50 Km) conformada por 72 sectores de dirección del viento, de 5 grados cada uno. La intersección permite estimar el área que ocupa cada una de las categorías de uso de

suelo en cada sector. Estas áreas son utilizadas como datos de entrada de la aplicación UsodeSuelo.xls . La metodología para el uso de esta aplicación es la siguiente: •

•

• •

•

•

•

2.3

Copiar la tabla de salida del SIG que contiene el % de cada una de las categorías de uso de suelo en cada sector y pegarlos en la hoja SIG, considerando que la cantidad de filas no tienen por que ser iguales. El número de filas depende de cada dominio en cuestión. Antes de copiar, borrar los datos anteriores, manteniendo solo las últimas 24 filas (sector 72). Corregir el rango de origen de los datos de la tabla dinámica de la hoja SIG de acuerdo a los datos copiados y Actualizar la Tabla dinámica. Copiar el resultado de la tabla dinámica en la Hoja Areas. Automáticamente se actualizarán las hojas Aermet y Aermod. Si se usa otra capa de usos de suelo, donde las categorías difieren de las mostradas en la tabla anterior, es necesario chequear los enlaces con las categorías establecidas para el AERMET y el AERMOD. En dependencia de la zona de estudio es necesario ajustar los valores de albedo, tasa de Bowen y rugosidad que se utilizarán para cada estación/categoría de uso de suelo. Finalmente, al presionar el botón Salvar en la hoja Aermet se calcula un promedio pesado, para determinar el albedo al mediodía y la tasa de Bowen y un promedio aritmético para la rugosidad de la superficie, todos necesarios para el AERMET. Copiar desde el archivo generado, Surface.txt, localizado en el mismo directorio que UsodeSuelo.xls, las instrucciones correspondientes a AERMET (FREQ_SECT SEASONAL, SECTOR, y SITE_CHAR) en el archivo de control del paso 3. Normalmente para AERMET El sector 1 se define entre 0 y 30°, el sector 2 entre 30 y 60° y así sucesivamente; el sector 12 es entre 330 360°. Surface.txt también contiene la información necesaria para AERMOD (CO GDLANUSE, categoría de uso de suelos más representativa en cada sector de 10 grados). Esta debe ser introducida en el archivo de control de cada contaminante. La categoría de uso de suelo que ocupe un mayor % en cada sector es la representativa del mismo. AERMET

AERMET tiene tres pasos: 1) extracción y chequeo de los datos, 2) unión de todos los datos meteorológicos y 3) cálculo de variables secundarias y creación de los archivos meteorológicos que AERMOD necesita. En la versión de AERMET (04300) los pasos 1 y 2 se resuelven con STAGE1N2.exe y el 3 con STAGE3.exe, pero en la versión 06341 ambos ejecutables se unen en Aermet.exe. Tanto en la versión 04300 como en la 06341 se necesitan tres archivos de control para cada paso. Se creó un archivo .bat para correr consecutivamente los tres pasos de AERMET, y un archivo .bat general, Aermet.bat, que permite no tener que renombrar los archivos de control y de salida de cada paso. El conjunto de archivos utilizados para correr AERMET en un caso prueba, aparece en la Tabla 3. La ejecución exitosa implica correr el archivo prueba.bat y que se generen los dos archivos que son necesarios para correr AERMOD, por defecto .sfc y .pfl. Tabla 3. Archivo s necesarios p ara la ejecución de AERMET: Lis tado de ejemplo.  Arch ivo Aermet.exe prueba.sfc prueba.prn prueba.ua

Funci ón Ejecutable Datos meteorológicos de superficie Datos meteorológicos in situ (si existen) Datos meteorológicos de aire superior(si existen)

 Arch ivo Prueba.in1 Prueba.in2 Prueba.in3 Prueba.bat Aermet.bat 2.3.1

Funci ón Control del paso 1 Control del paso 2 Control del paso 3 .bat del caso de estudio .bat general

Datos meteorológicos

AERMET se puede alimentar con los siguientes datos meteorológicos: 1. Datos de superficie con un formato pre-establecido 2. Datos de aire superior 3. Datos in situ, en formato libre que el usuario configura dado un listado posible de variables. Incluye datos de superficie y de torres de gradientes para dos o más niveles en la altura 2.3.1.1 Datos de superficie En tanto no se libere una versión del AERMET que admita los datos de superficie en un formato libre, se debe utilizar una herramienta de conversión que transforme los datos a un formato que el programa asimile: se propone usar HUSWO y SAMSOM. Los datos necesarios son los siguientes: 1. Año, 4 dígitos 2. Mes 3. Día 4. Hora, 1 a 24 5. Dirección DESDE donde sopla del viento, 1 a 360 grados desde el norte, 0 como indicador de calma. 6. Velocidad del viento, m/seg 7. Temperatura ambiente, °C 8. Nubosidad, décimos 9. Altura de la base de nubes, m 10. Presión en la estación, mbar 11. Humedad relativa, % 12. Código de precipitaciones, < 19 para indicar precipitación líquida 13. Tasa de precipitaciones, mm/año 14. Radiación solar, W/m2 De ellos son obligatorios, la dirección y velocidad del viento y la temperatura ambiente. Es necesario conocer además los datos de nubosidad (cubrimiento y altura de la base de nubes) o de radiación solar. La tasa de precipitación es imprescindible para modelar la deposición húmeda. En caso de datos 3-horarios, se propone interpolarlos linealmente. En caso de la dirección y velocidad del viento, la interpolación debe ser vectorial. Se desarrolló un programa, SD_Aermet, para convertir los datos de las estaciones de superficie al formato HUSWO que permite el AERMET. Si los datos de superficie están referidos al meridiano de Greenwich, en lugar de al meridiano local y se convierten al formato HUSWO, deben ajustarse previamente de forma manual al horario local, pues para dicho formato no se realiza el ajuste. Para utilizar este convertidor, los datos de entrada deben estar en un archivo MSExcel .xls, en el orden y formato especificado en la Tabla 4 para los observatorios, y en la Tabla

5 para las estaciones automáticas. Si alguno de los datos del juego no está disponible, poner un indicador de dato faltante, en este caso -9001: Tabla 4. Formato de datos de lo s obs ervatorios    l    l   e   a   e    ó    i    d    d   d   c    t   o    i   o   c    t   c   a   e   n    l   o   n   o   s   a   r   r   e   e    i   e   o    i    ñ   e    í    i    A    M   D    H    D  n   V    V   d   V

 .   p   m   e    T

   d    i   s   s   a   o   r   e    b   u   b   u   d   t    l   u    N  a   A   N

2004 1 1 1

38.03

0.55

8.68 -9001

2004 1 1 2

25.22

0.45

8.45 -9001

2004 1 1 3

12.17

0.71

8.33 -9001

2004 1 1 4

13.70

0.83

8.30 -9001

2004 1 1 5

4.21

0.45

7.38 -9001

2004 1 1 6

35.84

0.45

6.94 -9001

2004 1 1 7

10.53

0.79

7.35 -9001

2004 1 1 8

5.24

0.45

5.67 -9001

2004 1 1 9

56.15

0.45

6.42 -9001

2004 1 1 10 48.18

0.48

8.18 -9001

2004 1 1 11 18.86

0.57

2004 1 1

12 16.86

1.26

2004 1 1

13 24.41

1.43

2004 1 1

14 25.79

1.46

2004 1 1

15 26.66

2.07

2004 1 1

16 30.07

2.96

9.10 10.1 5 11.9 7 15.0 8 18.4 2 20.0 8

-9001 -9001 -9001 -9001 -9001 -9001

  a   n   a   v    i    ó   d   e    t    i   s   m    l   a   e   e   r   u    P   H   d R

795.4 9001 7 795.2 9001 7 795.2 9001 0 794.8 9001 3 794.7 9001 3 794.8 9001 0 795.0 9001 7 795.4 9001 0 796.1 9001 0 796.9 9001 3 797.4 9001 7 797.5 9001 7 797.1 9001 0 796.0 9001 0 794.4 9001 7 793.3 9001 7

 .    d   c   o   e   r    C   P

  a   c   s   e   a   r    T   P

91.18

-9001 -9001 0.03

93.05

-9001 -9001 0.01

94.48

-9001 -9001 0.00

95.10

-9001 -9001 0.01

95.98

-9001 -9001 0.02

97.33

-9001 -9001 0.03

98.15

-9001 -9001 0.02

98.45

-9001 -9001 0.06

99.03

-9001 -9001 9.14

99.05

-9001 -9001 50.32

97.63

-9001 -9001 90.55

91.58

-9001 -9001 164.83

82.90

-9001 -9001 417.28

70.46

-9001 -9001 631.43

56.93

-9001 -9001 517.78

51.68

-9001 -9001 509.18

Tabla 5. Formato d e datos en las estacion es automáticas    l    l   e   a   e    ó    i    d    d   d   c    t   o    i   o   c    t   c   n    l   o   n   e   r   o   s   a   a   r   e   e    i   e   o    i    ñ   e    í    i    A    M   D    H    D  n   V    V   d   V

2004 2004

1 1

1 1 1 2

38.03 25.22

0.55 0.45

  p   m   e    T

  a   a    d    i   v   e    t   a   m    l   u   e    H    d R

8.68 91.18 8.45 93.05

   ó    i   c   a    i    d   a    R  n

  n    ó    i   s   e   r    P

   ó    i   c   a    i    d   a    R  n

795.47 0.03 795.27 0.01

  a   c   s   e   a   r T   P

-9001 -9001

2004 2004 2004 2004 2004 2004 2004 2004 2004

1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1

3 4 5 6 7 8 9 10 11

12.17 13.70 4.21 35.84 10.53 5.24 56.15 48.18 18.86

0.71 0.83 0.45 0.45 0.79 0.45 0.45 0.48 0.57

2004

1

1 12 16.86

1.26

2004

1

1 13 24.41

1.43

2004

1

1 14 25.79

1.46

2004

1

1 15 26.66

2.07

2004

1

1 16 30.07

2.96

8.33 8.30 7.38 6.94 7.35 5.67 6.42 8.18 9.10 10.1 5 11.9 7 15.0 8 18.4 2 20.0 8

94.48 95.10 95.98 97.33 98.15 98.45 99.03 99.05 97.63

795.20 0.00 794.83 0.01 794.73 0.02 794.80 0.03 795.07 0.02 795.40 0.06 796.10 9.14 796.93 50.32 797.47 90.55

-9001 -9001 -9001 -9001 -9001 -9001 -9001 -9001 -9001

91.58

797.57 164.83

-9001

82.90

797.10 417.28

-9001

70.46

796.00 631.43

-9001

56.93

794.47 517.78

-9001

51.68

793.37 509.18

-9001

Existen otros convertidores. El de AERMOD-ISC View Lakes Environmental (Thé, J. L., Lee, R., Brode, R. W., 2001xii) convierte desde un fichero en MsExcel al formato SAMSOM. Este convertidor es mucho más flexible pues las columnas de datos pueden estar en cualquier orden, y algunos datos pueden estar en varias unidades de medidas, por ejemplo la velocidad del viento en m/s y en km/h. Se ha comprobado que este convertidor puede usarse para los observatorios pero para las estaciones automáticas, se produce un error al correr AERMET. Aunque AERMET realiza el chequeo de la calidad de los datos, se recomienda realizar chequeos previos en MSExcel. 2.3.1.2 Datos de aire superior Para las versiones de la EPA, son imprescindibles los datos de superficie y de sondeo. Como para Cuba no se dispone de datos de sondeo, se desarrolló en CUBAENERGÍA una versión del AERMET que no exige dichos datos y simula el comportamiento vertical de la atmósfera a partir de los datos de superficie (específicamente la altura de la capa de mezcla convectiva, y a partir de esta, la velocidad de escala y el gradiente de temperatura potencial por encima de la capa de mezcla). La descripción de la metodología empleada y la valoración de los resultados obtenidos puede encontrarse en Tustós, 2009xiii. 2.3.1.3 Datos in situ Además de los datos de superficie de una estación meteorológica (observatorio u automática), se pueden usar datos medidos in situ, con formato libre y que tienen prioridad sobre los de superficie. Estos pueden ser medidos en un solo nivel o a varios. 2.3.1.4 Datos de torres de gradiente AERMET permite procesar datos meteorológicos medidos en torres de gradiente a diferentes alturas (hasta 100 m), además de los datos meteorológicos de superficie del SMN y datos in-situ, que son medidos a una sola altura o a un solo nivel. Se propone utilizar los datos meteorológicos provenientes de la Red de Torres Meteorológicas de

Referencia instaladas recientemente en el país, para mejorar la estimación del perfil de viento y temperatura en AERMOD. Estas torres tienen el principal objetivo de monitorear el viento hasta alturas de 100 m en diferentes condiciones físicas-geográfica, para lograr una mejor evaluación del recurso eólico y proporcionar una información relevante para la elaboración de pronósticos meteorológicos a corto plazo (Roque, et al., 2008xiv). Estas torres registran datos meteorológicos en tres (10, 30 y 60 m) o cuatro niveles (10, 30, 60 y 100 m), cada 10 minutos de: dirección y velocidad del viento, temperatura, presión, humedad relativa y desviaciones horizontales de la dirección y velocidad del viento. Es importante señalar que la desviaciones de la velocidad del viento requeridas por AERMOD, es la vertical; por lo tanto las desviaciones de la velocidad del viento medidas en la torre de nivel no pueden ser usadas; tampoco se utilizan las desviaciones de la dirección del viento puesto que las mismas no eran reconocidas por AERMET. Estudios de sensibilidad realizados (corridas de AERMOD, una primera con los datos medidos en el primer nivel (10 m) y la segunda con los datos registrados en todos los niveles xv) demostraron que existe una diferencia significativa entre los resultados obtenidos con datos meteorológicos de superficie y el empleo de datos meteorológicos a varais alturas en una torre de gradiente, por cuanto el módulo del sesgo fraccional (|FB|), en todos los períodos de tiempo considerados, supera el valor propuesto por la EPA de 0.671 La metodología a seguir para considerar estos datos en AERMET es la siguiente: 1. Guardar los datos en código ASCII  en un fichero de Texto. 2. Leer del fichero de texto, como datos On-site en el fichero de control de AERMET, los siguientes datos: a) Presión. b) Velocidad del viento. c) Dirección del viento. d) Temperatura. e) Humedad relativa 3. Obtener de los datos de superficie de una estación meteorológica representativa los datos de nubosidad (altura de las nubes y nubosidad) o radiación. 4. Incluir en el fichero de control, además de las “palabras claves” obligatorias, las siguientes: a) OBS/HOUR  – número de observaciones por hora. b) THRESHOLD   – velocidad mínima, por debajo de la cual el viento es tratado como calma. c) OSHEIGHTS – altura de los diferentes niveles de medición. 5. La lectura de los datos en el fichero de control de AERMET, debe realizarse mediante descriptores de formato Fortran.

1

 Este valor es propuesto por la EPA para la comparación de modelos. Cuando |FB|>0.67 en algún período de tiempo, es porque existe sobreestimación (0.67) y/o subestimación (-0.67) por un factor de dos en los resultados del modelo respecto al de referencia.

El anexo 1 muestra un fichero de control de AERMET alimentado con datos de superficie y datos de la torre de nivel. 2.3.2

Albedo, tasa de Bowen y rugosidad de la superficie.

Se propone definir el albedo, la tasa de Bowen y la rugosidad de la superficie por estación del año y en 12 sectores de dirección del viento, a partir de los valores por defecto definidos por AERMET (ajustados a las condiciones de Estados Unidos) para cada estación haciendo las siguientes consideraciones: Valores para verano igual a los valores por defecto para verano. Para la tasa de Bowen igual a los valores por defecto para verano en condiciones de humedad media. Valores para invierno igual a los valores por defecto para otoño. Para la tasa de Bowen igual a los valores por defecto para otoño en condiciones de humedad media. Valores para otoño, igual al promedio de los valores por defecto para verano y otoño. Para la tasa de Bowen, igual al promedio de los valores por defecto para verano y otoño, en condiciones de humedad media. Valores para primavera igual al promedio de los valores por defecto para primavera y verano. Para la tasa de Bowen igual al promedio de los valores por defecto para primavera y verano, en condiciones de humedad media. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores los valores por defecto para cada estación se muestran a continuación: Tabla 6. Valores por defecto por estaciones para el albedo, la tasa de Bowen y la rugosidad de la superficie. •

•

•

•

 Al bed o

Pri mav era

Veran o

Oto ño

Inv ier no

Cuerpo de agua Bosque caducifolios Bosques de coníferas Pantano Terreno agrícola Pradera Zona urbana Desierto

0.11 0.12 0.12 0.13 0.17 0.18 0.15 0.29

0.1 0.12 0.12 0.14 0.2 0.18 0.16 0.28

0.12 0.12 0.12 0.15 0.19 0.19 0.17 0.28

0.14 0.12 0.12 0.16 0.18 0.2 0.18 0.28

B ow en

Pr im av er a

Ver an o

Ot oñ o

In vi er no

Cuerpo de agua Bosque caducifolio Bosque de coníferas Pantano Terreno agrícola Pradera Zona urbana Desierto

0.1 0.5 0.5 0.1 0.4 0.6 1.5 3.5

0.1 0.3 0.3 0.1 0.5 0.8 2 4

0.1 0.65 0.55 0.1 0.6 0.9 2 5

0.1 1 0.8 0.1 0.7 1 2 6

Rugosidad

Primavera

Verano

Otoño

Invierno

Cuerpo de agua Bosque caducifolio Bosque de coníferas Pantano Terreno agrícolas

0.0001 1.15 1.3 0.2 0.115

0.0001 1.3 1.3 0.2 0.2

0.0001 1.05 1.3 0.2 0.125

0.0001 0.8 1.3 0.2 0.05

Pradera Zona urbana Desierto

0.075 1 0.3

0.1 1 0.3

0.055 1 0.3

0.01 1 0.3

Estos valores pueden modificarse en la hoja Valores de Uso de Suelos.xls. A partir de estos valores de referencia y al % de cada categoría de uso de suelo en cada sector de dirección del viento (ver el procesamiento descrito en la Sección 2.2), finalmente se realiza la media pesada para el albedo al mediodía y la tasa de Bowen y un promedio aritmético para la rugosidad de la superficie. 2.4

AERMOD

Al igual que en el ISCST3, la modelación de cada contaminante es independiente, por lo que debe construirse un archivo de control de entrada por cada contaminante. Se crea un .bat para correr Aermod.exe para los contaminantes considerados y un archivo .bat general Aermodb.bat, que permite no tener que renombrar los archivos de control y de salida para cada contaminante. Entonces por ejemplo si se desea correr un caso Prueba  para NOx, SO2  y PST el conjunto de archivos utilizados para correr AERMOD aparecen en la Tabla 6. La ejecución exitosa implica correr Aermod.exe para SO 2, NOx, y PST de acuerdo a los archivos de control correspondientes (SO2.inp, NOx.inp, y PST.inp). Tabla 7. Archivo s necesarios para la ejecució n de AERMOD: Listado de ejemplo  Ar ch ivo Aermod.exe Aermodb.bat Prueba.sfc Prueba.pfl Prueba.rec NOx.INP SO2.INP PST.INP Prueba.bat 2.4.1

Fun ción Ejecutable .bat general Datos meteorológicos, salida del AERMET Datos meteorológicos, salida del AERMET Datos topográficos, salida del AERMAP Control para NOx Control para SO2 Control para PST .bat para NOx, SO2 y PST

Datos para los mecanismos de Deposición

El mecanismo de deposición del AERMOD es diferente al empleado por el ISCST3. El mecanismo para evaluar deposición seca de gases necesita además de la categorización de uso de suelo explicada anteriormente, la clasificación de cada mes del año en cada una de las siguientes categorías estacionales: Categoría 1: verano, con vegetación exuberante; Categoría 2: otoño, antes de la cosecha de los terrenos agrícolas; Categoría 3: otoño tardío, después de las cosechas y primeras heladas o invierno sin el terreno cubierto de nieve; Categoría 4: invierno con el terreno cubierto de nieve; Categoría 5: inicios de la primavera, tierra con cubierta verde parcial. Para Cuba se proponen la categoría 2 para los meses de noviembre a marzo y la categoría 1 para el resto. Adicionalmente, de cada contaminante a evaluar es necesario conocer los parámetros que se indican en la Tabla 8, que muestra los valores escogidos para los óxidos de azufre y nitrógeno, H2SO4 y H 2S, tomados a 25 °C. La EPA propone los valores a usar para una larga lista de contaminantes (Wesely et al., 2002, Appendix B to F xvi). Tabla 8. Constantes del mecanismo de deposic ión de gases en el A ERMOD Parámetro

SO2

NOx

H2S

H2SO4

Difusividad en aire Da (cm2/s) Difusividad en agua Dw (cm2/s) Resistencia cuticular r c (s/cm) Constante de Henry (Pam3/mol)

0.1509xvii  1.83E-5xx 80xxii 72.37xxiii 

0.1656xvii  0.1623xviii  0.986xix 1.4E-5xx  1.36E-5xxi  1.28E-5xix 200xxii 84.43E3xxiii 1.01E3xxiii  5.08E-10xix

En caso que no se pueda encontrar un valor adecuado para alguno de los parámetros, como es el caso de la resistencia cuticular para H2SO4 y H2S, se propone realizar estudios de sensibilidad para evaluar la influencia del valor seleccionado en los resultados de AERMOD, utilizando dos posibles valores del parámetro en cuestión (siendo uno de ellos el valor propuesto por defecto) y corriendo el modelo sin considerar la deposición. Si identificamos estos estudios como D1, D2 (usando dos seleccionados) y nD cuando no se tiene en cuenta el mecanismo de deposición, para comparar los resultados se propone utilizar la diferencia relativa entre los valores obtenidos para cada caso corrido, tanto para los resultados de concentración como los de deposición según la expresión: r  = (1 −

mi m j

)100

Donde m representa tanto los valores de concentración como de deposición obtenidos en los estudios i, j, en este caso D1, D2, nD. 2.4.2

Modelación de fuentes de área

El algoritmo utilizado en AERMOD para tratar la sinuosidad de la pluma no ha sido implementado para fuentes de área debido al tiempo de ejecución excesivo que requiere. Como resultado, las concentraciones generadas por fuentes de área para bajas velocidades del viento (u