Rita Ynoue LAPAt (Laboratório de Análise dos Processos Atmosféricos) DCA IAG USP Nov 8th 2018

Transcrição

1 Second Workshop on Regional Climate Modeling and Extreme Events over South America "Modeling Air Quality in São Paulo with WRF-CHEM Emission Processing and Modeling Rita Ynoue LAPAt (Laboratório de Análise dos Processos Atmosféricos) DCA IAG USP Nov 8th 2018

2 Departamento de Ciências Atmosféricas LAPAt Laboratório de Análises dos Processos Atmosféricos Website: Maria de Fátima Andrade Fabio L. T. Gonçalves Adalgiza Fornaro Rita Yuri Ynoue O grupo estuda os processos associados à poluição atmosférica, com destaque para estudos da região metropolitana de São Paulo. Os projetos concentram-se nas seguintes áreas: Caracterização física e química de aerossóis atmosféricos; Caracterização química de deposição úmida (águas de chuva, nevoeiro). Gases atmosféricos: hidrocarbonetos (C2-C11), etanol, carbonilas, amônia, metano, dióxido de carbono, etc Modelagem de remoção de matéria particulada e gases: deposição úmida e seca. Sondagens de ozônio Modelagem da dispersão e formação de poluentes atmosféricos (smog fotoquímico). Quantificação e classificação de bioaerossóis. MiniVol Dichotomous Sequential Air Sampler, Partisol -Plus 2025-D ( Composição elementar e iônica do material particulado Cromatografia iônica EDX (Energy Dispersive X-ray Fluorescence) CG-FID (Cromatografia gasosa ) Hidrocarbonetos (C2-C11) Personal cascate impactor (PCIS) Bruna Segalin, doutoranda Amostrador automático de águas de chuva Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor (MOUDI) Experimentos em túneis Modelagem da qualidade do ar: Emissão, dispersão e formação de poluentes Emissão de NOx Sergio Ibarra, doutorando

3 Atmospheric emissions, transport, transformation, and deposition of trace gases Good emissions estimates are the start of any environmental assessment (Source: Aneja et al., 2003, 2006b)

4 Emissions: natural and anthrop. sources

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8 Calculating emissions Emissions = Emission Factor x activity data Emission Factors: mass of polutant produced per unit of activity Vary by pollutant, equipment/source Found in models, national tables, source tests Example: How much CO does a light duty vehicle emit in one day? Emission fator (MOBILE)=2g of CO/km Activity level (Transportation Agency)=30 km/day Emission = 60 g CO/day Alicia Edwards & Clint Farr-ADEQ-Air non point & mobile source program

9 Brazilian Environmental Protection Agency IBAMA (Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis): Federal Environmental Protection Agency CETESB (Companhia Ambiental do Estado de São Paulo): Local EPA

10 CETESB, 2016

11 CETESB s emissions inventory

12 CETESB, 2016

13 Emissions Processing to Air Quality Models Air quality models needs good quality emission input, which should... describe all (anthropogenic) sources be consistent in time and space provide the best (scientific) estimate for the emission

14 Top-down x Bottom-up approaches a/land_s8_topic-air_emission_inventorying-2-eng.jpg?itok=dqgilrn1

15 Zac Adelman and Craig Mattocks Carolina Environmental Program Emissions Terminology Inventory: estimate of pollutant emissions at a given spatial unit Model Grid: 3-d representation of the earths surface based on discrete and uniform spatial units, i.e. grid cells Speciation: conversion of inventory pollutant species to model pollutant species Gridding: conversion of inventory spatial units to model grid cells Temporalization: conversion of inventory temporal units to those requires by an air quality model

16 Zac Adelman and Craig Mattocks Carolina Environmental Program Emissions Processing Area Mobile Point Biogenic Emissions Processing Steps AQM-ready Emissions:

17 Zac Adelman and Craig Mattocks Carolina Environmental Program Emissions Processing Purpose: convert emissions data to formats required by air quality model Primary functions Import data into system Spatial allocation (gridding) Chemical allocation (speciation) Temporal allocation Merge Quality assurance

18 Zac Adelman and Craig Mattocks Carolina Environmental Program Emissions Processing Steps Data Import Inventory categories Area Point Mobile Biogenic Gridded ASCII or gridded binary Country/state/county estimates Annual estimates Spatial Allocation Inventory spatial units model grid Requires spatial surrogates Pollutants include bulk VOC and PM 2.5

19 % Emissions % Emissions % Emissions Emissions Processing Steps Chemical Allocation Tons Moles Converts inventory pollutants to air quality model species Model-dependent speciation profiles NOx NO + NO 2 VOC PAR, OLE, etc. PM 2.5 NO 3, SO 4, etc. Temporal allocation Inventory units hourly emissions Requires temporal profiles J F M A M J J A S O N D Monthly M T W Th F Sa Su Weekly Diurnal Zac Adelman and Craig Mattocks Carolina Environmental Program

20 Available gridded emissions database

21 Air quality forecasting with WRF-CHEM in MASP

22 WRF-CHEM in MASP Academic and Operational simulations GFS (FNL) 1º x 1º analysis and forecasts for meteorological IC and BC Operational run: GFS 00UTC 48 hours 1 grid, 9x9 km 2 horizontal resolution Meteorological outputs: intercomparison with other models ( 1&prod=previsao_glob)

23 Emissions CETESB emissions inventory for mobile sources (annual value for MASP): CO, NOx, VOCs, SOx, PM10 Emission Factors: CETESB, Tunnel Experiments (LAPAt) VOC s speciation: Tunnel Experiments (LAPAt) Vehicular activities: CETESB Spatial distribution: Night lights, IED, SMOKE, Street density

24 Vehicular emissions Daily pollutant emission (pol) by type of vehicle (veic): Emission (pol,veic) = activity (veic) * emission factor (pol,veic)*n(veic) Emission = [mass/time] (g/hour) Activity = [length/time] (km/day) Emission factor = [mass/length] (g/km) N = number of type of vehicle

25 Vehicular Fleet Denatran e CETESB, 2012 Estado Capital Cap/Estado SP ,2 RJ ,6 MG ,3 ES ,0 PR ,0 SC , ,9 ONIBUS RODOVIARIO (DIESEL - VEIC 4C) 0% ONIBUS URBANO (DIESEL - VEIC 4B) 3% CAMINHOES (DIESEL - VEIC 4A) 3% TAXIS (GAS - VEIC 5) 0% MOTOS MOVIDOS A GASOLINA (VEIC 6A) 12% TIPOS MOTOS FLEX (VEIC 6B) 1% VEICULOS MOVIDOS A GASOLINA (VEIC 1) 42% VEICULOS MOVIDOS A FLEX (VEIC 3) 36% VEICULOS MOVIDOS A ETANOL (VEIC 2) 3%

26 Activity (source: SPTRANS) Activity (km/day) VEICULOS MOVIDOS A GASOLINA (VEIC 1) 41,09 VEICULOS MOVIDOS A ETANOL (VEIC 2) 41,09 VEICULOS FLEX (VEIC 3) 41,09 CAMINHOES (DIESEL - VEIC 4A) 109,58 ONIBUS URBANO (DIESEL - VEIC 4B) 164,38 ONIBUS RODOVIARIO (DIESEL - VEIC 4C) 164,38 TAXIS (GAS - VEIC 5) 0 MOTOS MOVIDOS A GASOLINA (VEIC 6A) 136,98 MOTOS FLEX (VEIC 6B) 136,98

27 Emission factors (g/km) GAS ETA FLEX CAMINHOES MOTOS GAS MOTOS FLEX exa_co 5, ,13 4,95 9,15 9,02 exa_nox 0,34 1,12 0,32 9,81 0,132 0,129 exa_so2 0,029 0,014 0,021 0,61 0,0097 0,0093 exa_c2h5oh 0,079 0,253 0,166 0,61 0,079 0,305 exa_hcho 0,0089 0,011 0,0098 0,61 0,0152 0,0155 exa_ald 0,014 0,03 0,022 0,61 0,0164 0,0188 exa_pm 0,15 0,15 0,15 0,44 0,05 0,05 exa_voc 0,425 1,3 0,434 2,05 1,08 1,08 vap_voc 0,23 0,25 0, liq_voc 2 1,5 1,75 0 1,2 1,2 Cetesb (2010) IAG

28 VOC splitting (mol/100g) GASOLINA ETANOL DIESEL VAPORS LIQUID EXHAUST VAPORS LIQUID EXHAUST VAPORS LIQUID EXHAUST 1 e_eth e_hc e_hc e_hc e_ol e_olt e_oli e_iso e_tol e_xyl e_ket e_ch3oh e_c2h5oh * e_hcho * e_ald *

29 Air quality model domain

30 Satellite view of earth at night

31 Night lights for horizontal distribution Imagem e processamento de dados pela NOAA's National Geophysical Data Center. MASP

32 Horizontal distribution of emission MASP

33 SMOKE - Sparse Matrix Operator Kernel Emissions 3 x 3 km 2. Albuquerque, 2010

34 The International Environmental Database System (IED): 1 x 1 km 2 The International Sustainable Systems Research Center (ISSRC) 2012

35 Com relação às emissões veiculares, está sendo utilizado um esquema de inclusão de fontes móveis para S. Paulo e Rio de Janeiro baseado nas seguintes informações: dados de contagem veicular e velocidade dos veículos da Companhia de Engenharia de Tráfego (CET), (Desempenho do Sistema Viário Principal, Volume e Velocidade, 2012); Contagem de veículos realizada no estudo de Túnel IAG Informações de inventário de fontes móveis CETESB e Estatísticas da Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores ANFAVEA Fator de emissão calculado em experimentos de túneis Fator de emissão COPERT 4 (Nziachristos y Samaras, 2009) Informação Maplink Dados Rede de Ruas ( Sistema de informação geográfica aberta. Contém uma descrição do tipo de rua segundo sua importância e função.

36 Vehicular sources spatial distribution Road net from

37 9km x 9km Horizontal Grid

38 Density (total road length/cell) Hypothesis: no. vehicles proportional to density

39 Temporal distribution 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0, hrsplt_co hrsplt_no CO e COVs NO, NO2, SO2 e MP

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41 Atmospheric emissions, transport, transformation, and deposition of trace gases Good emissions estimates are the start of any environmental assessment (Source: Aneja et al., 2003, 2006b)

42 Operational WRF-CHEM 9 x 9 km 2, 100 x 100 grid points, 27 vert levels Timestep: 45 s

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48 VEIN MODEL Sergio Ibarra PhD Thesis

49 CO Emissions (g at peak hour)

50 PM Emissions (g at peak hour)

51 Thank you!