Palavras-chave: poluição fotoquímica e modelos de qualidade do ar.

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1 Previsão de concentração de ozônio na Camada Limite Planetária na Região Metropolitana de São Paulo no contexto de um projeto de políticas públicas. Parte II: estudo de caso para outubro de 22. Maria de Fátima Andrade 1, Rita Yuri Ynoue 2, Carlos Lacava 3, Dirce Maria Pellegatti Franco 3, Ricardo Scudeler Pontes 3, Lígia Cristina G. de Siqueira 3, Cristiane Ferreira F. Lopes 3, Olimpio de Melo Alvares Junior 3. Resumo Neste trabalho serão apresentados resultados da modelagem fotoquímica de ozônio na Camada Limite Planetária obtidos no escopo do projeto de políticas públicas com recursos da FAPESP Modelos de Qualidade do Ar Fotoquímicos: Implementação para Simulação e Avaliação das Concentrações de Ozônio Troposférico em Regiões Urbanas (Processo 3/6414-), envolvendo o DCA-IAG (Departamento de Ciências Atmosféricas do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas), a CETESB (Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental) e o INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais). Os objetivos desse projeto estão descritos no trabalho de Andrade et al., apresentados neste congresso (Previsão de concentração de ozônio na Camada Limite Planetária na Região Metropolitana de São Paulo no contexto de um projeto de políticas públicas. Parte I: sondagens de ozônio e de parâmetros meteorológicos). Palavras-chave: poluição fotoquímica e modelos de qualidade do ar. Abstract In the scope of a project funded by FAPESP ( Modelos de Qualidade do Ar Fotoquímicos: Implementação para Simulação e Avaliação das Concentrações de Ozônio Troposférico em Regiões Urbanas, Processo 3/6414-), tropospehric ozone and other photochemical pollutants were simulated by an air quality model. The main objective is to implement a photochemical eulerian model to evaluate air quality in the Metropolitan Area of Sao Paulo. The project is being conducted by the Atmospheric Sciences Department of IAG-USP, the INPE and CETESB. 1. Introdução O objetivo principal deste projeto de políticas públicas é implantar de forma operacional, na CETESB, um modelo fotoquímico euleriano que descreva as condições de formação e transporte de oxidantes fotoquímicos, como o O 3, na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). Como objetivos específicos podem-se citar: análise do impacto do uso de diferentes combustíveis na qualidade do ar urbano e aperfeiçoamento do diagnóstico ambiental, identificando os locais de máximas concentrações de ozônio na região. O projeto permite ainda o intercâmbio de informações entre os pesquisadores e os técnicos da CETESB, sobretudo promovendo o treinamento e a capacitação na utilização de modelos de qualidade do ar Departamento de Ciências Atmosféricas, IAG USP 2- EACH Escola de Artes, Ciências e Humanidades - USP 3- CETESB Companhia de Tecnologia e Saneamento Ambiental

2 Ao final do projeto, como benefícios futuros, o modelo instalado poderá ser uma ferramenta importante para o estabelecimento de políticas de monitoramento, controle e licenciamento ambientais pela CETESB/SMA (Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo), tais como: prever a qualidade do ar com relação ao poluente ozônio, identificando a possibilidade de ocorrência de episódios críticos; identificar as políticas mais eficazes de redução do ozônio a partir do controle de seus precursores emitidos por fontes móveis e fixas; auxiliar no planejamento da rede de estações de monitoramento do ozônio e de seus precursores na região; auxiliar no planejamento urbano através da elaboração de cenários futuros; auxiliar nas políticas e estudos relacionados à saúde pública. 2. Modelagem A área de estudo está localizada no Estado de São Paulo, a qual abrange a Região Metropolitana de São Paulo e é delimitada pelos paralelos 22,9 o S, 24,2 o S, 48 o O e 45 o O, mostrada pela Figura 1. Esta área engloba as fontes de emissão mais relevantes e seus contornos foram situados em regiões onde as emissões antropogênicas puderam ser consideradas desprezíveis e as concentrações foram aproximadas por valores de fundo. O modelo fotoquímico utiliza as coordenadas UTM (Universal Transverse Mercator). Neste sistema, o canto inferior foi definido como 2 km E e 732 km N. A grade horizontal foi definida com 6 pontos na direção leste-oeste e 3 pontos na direção norte-sul, com espaçamento de 5 km entre os pontos em ambas as direções, ou seja, seu domínio foi de 3 km x 15 km. Toda a base de dados meteorológicos, geográficos, de emissão e de qualidade do ar foi definida para este domínio. Também dentro deste domínio foi definida a região modelada, na qual foi feita a simulação numérica. Na direção vertical, a região foi dividida em 5 camadas, definidas de tal maneira que a resolução próxima à superfície fosse maior, diminuindo sucessivamente. a) Figura 1 Parte (a):área de estudo, adaptada por Borges (23) de página da EMBRAPA ( Parte (b): Distribuição das emissões veiculares na região de estudo. As cores denotam a intensidade da emissão, sendo vermelho o local com a maior emissão e a azul (fundo) significa que não há emissão (adaptado de Leila Martins, 25). O período selecionado para o caso base consistiu nos dias 11, 12 e 13 de outubro de 22. A escolha se deu em função dos valores elevados de ozônio troposférico medidos pela Rede Automática de Monitoramento da Qualidade do Ar da CETESB, inclusive com ultrapassagem do padrão de qualidade do ar Má para ozônio. Em termos das condições meteorológicas, os dias apresentaram céu claro sem precipitação, condição simplificadora para o modelo. b)

3 2.1 Fontes de poluentes Um dos principais fatores responsáveis pela poluição atmosférica são as emissões antropogênicas. Embora estas possam ser oriundas de várias atividades, neste trabalho foram consideradas apenas as emissões veiculares de poluentes gasosos. Elas foram localizadas na superfície (primeira camada) e consideradas como fontes tipo área. As emissões entraram como condição de fronteira inferior da seguinte forma: [v g i (x,t)c i K zz c i / z] = E i (x,t); onde E i (x,t) é o fluxo de emissão da espécie i na superfície. Supôs-se que a emissão das fontes localizadas dentro da área de cada célula da grade horizontal fosse distribuída uniformemente nesta. Os veículos automotores constituem mundialmente a principal fonte de poluição do ar nas grandes regiões urbanas. Na Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), as fontes móveis são responsáveis por 98% da emissão total de monóxido de carbono (CO), 97% da emissão dos hidrocarbonetos (HC, ou compostos orgânicos voláteis, COV s, compreendendo todos os orgânicos atmosféricos na fase gasosa, exceto o CO e o CO 2 ), 96% dos óxidos de nitrogênio (NO x = NO + NO 2 ) e 69% dos óxidos de enxofre (SO x ), conforme Relatório de Qualidade do Ar no Estado de São Paulo de 22, publicado pela CETESB ( 23). Para se avaliar o potencial de formação do ozônio é necessário saber não só a quantidade total de COV s emitidos, mas também a composição química individual dos elementos que constituem a mistura, uma vez que o comportamento de cada espécie na atmosfera varia enormemente, e cada composto tem um potencial de formação de ozônio diferente. Na figura 1(b) temos a distribuição espacial das fontes móveis, realizada proporcionalmente ao número de veículos de cada cidade da RMSP com dados do DETRAN-SP (Departamento Estadual de Trânsito de São Paulo, Para as cidades de São José dos Campos, Sorocaba e Santos, foi feita uma estimativa de emissão proporcional à da RMSP, também baseada no número de veículos de cada cidade. Para a distribuição temporal considerou-se que as emissões em todos os pontos tinham a mesma distribuição horária para os veículos leves, seguindo a distribuição baseada no número de quilômetros de congestionamento segundo dados da CET (Castanho, 21). Para os veículos pesados, movidos a diesel, a distribuição foi considerada uniforme entre às 8 e 17:h e muito baixa à noite. Esse mesmo padrão de distribuição foi considerado para os veículos leves e pesados durante o fim-de-semana. 2.2 Dados de qualidade do ar Os dados de qualidade do ar foram utilizados como condições iniciais e de contorno, e também para a verificação dos resultados do modelo fotoquímico. Esses dados foram obtidos da rede telemétrica da CETESB. Para a interpolação de dados foram utilizados procedimentos de análise objetiva descritos por McRae et al. (1982) e que será detalhada na próxima seção. 2.3 Campos meteorológicos e características topográficas O modelo CIT (Caltech-Carnegie Mellon photochemical model) foi aplicado à RMSP em vários trabalhos utilizando modelos meteorológicos diagnósticos. A derivação destes campos, bem como sua importância no modelo fotoquímico é descrita em outros trabalhos (Ynoue, 1999; Andrade et al., 24). Neste trabalho, foi feita uma mistura entre estes dois tipos de modelos. Para o modelo diagnóstico foram utilizadas as estações de monitoramento da CETESB.

4 Os campos utilizados foram construídos a partir da interpolação e posterior análise objetiva dos dados medidos em estações segundo os procedimentos descritos em Goodin et al. (1979), onde se nota que um procedimento de ajuste por um polinômio de segundo grau com um esquema de distâncias ponderadas pelo fator 1/r² (onde r é a distância entre o ponto de grade e a estação), para os campos superficiais de vento, temperatura, altura da camada de mistura, umidade específica e fator de correção para a radiação solar, e pelo fator de 1/r para o campo do vento em níveis superiores; proporciona um bom compromisso entre precisão e custo computacional. O campo da altura da camada de mistura define uma superfície interna móvel dentro da grade computacional. A extensão vertical do domínio modelado deve ser suficientemente alta para incorporar as variações nas alturas da camada de mistura. Como o sistema de coordenadas segue o terreno, a altura da camada de mistura é dada em relação ao nível da superfície em cada ponto de grade. Para o preparo do campo da altura da camada de mistura, havia dados fornecidos pelo sondador acústico, SODAR (SOund Detection And Ranging), localizado na estação do Ibirapuera, pertencente à CETESB. Para os campos de temperatura superficiais, foram utilizadas as estações da CETESB. As temperaturas variaram entre aproximadamente 12 e 32 C, caracterizando um período de grandes amplitudes térmicas. Esta variação é condizente com a condição sinótica de domínio de alta pressão, quando há pouca nebulosidade, permitindo um grande aquecimento durante o dia e um grande resfriamento durante a noite. 3. Resultados Apesar dos ajustes realizados no inventário de emissões, pode-se destacar a diferença entre o ajustado pelo modelo (em azul) e o medido (em rosa) para diversos poluentes, em especial o ozônio e os óxidos de nitrogênio. Esses resultados evidenciam que os ajustes das emissões têm que considerar variações locais, dada a diversidade dos padrões de emissões das fontes veiculares. Na Figura 2 apresentam-se as comparações entre os valores simulados e medidos para os poluentes ozônio e monóxido de carbono para a estação de Osasco. Comparações entre os valores simulados e medidos para a concentração de ozônio, monóxido de carbono e óxido de nitrogênio são também apresentados para a estação Parque D. Pedro II para esse período de simulação, na Figura Referências ANDRADE M.F., YNOUE, R. Y, HARLEY R. (24). Air Quality Model simulating photochemical formation of pollutants: the Metropolitan Area of São Paulo, Brazil. Aceito para publicação no International Journal of Environmental Pollution. CASTANHO, A.D.A., and ARTAXO P. (21). Wintertime and summertime São Paulo aerosol source apportionment study. Atmospheric Environment 35, CETESB, 23. Relatório Anual de Qualidade do Ar no Estado de São Paulo 24. CETESB-Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental, São Paulo, Brazil. FREITAS E.D. (23) Circulações locais em São Paulo e sua influência sobre a dispersão de poluentes, Tese (Meteorologia), IAG - Universidade de São Paulo. GOODIN W., MCRAE G., SEINFELD J.H. (1979) A comparison of interpolarion methods for sparse data: application to wind and concentration fields. Journal of Applied Meteorology, 18(6), MCRAE G., GOODIN W., SEINFELD J.H. (1982) Development of a second-generation mathematical model for urban air pollution- I. model formulation. Atmospheric Environment, 16(4), YNOUE R. (1999) Prognóstico da dispersão e produção dos oxidantes fotoquímicos em São Paulo, Dissertação (Meteorologia), IAG-Universidade de São Paulo.

5 /1/ /1/22 Figura 2 Comparação entre as concentrações obtidas com o modelo fotoquímico (em azul) e as concentrações medidas na estação de qualidade do ar de Osasco (em rosa). Parte superior: variação da concentração de ozônio em ppb; parte inferior: variação da concentração de monóxido de carbono em pptm.

6 /1/22 a) /1/22 b) /1/22 c) Figura 3 Comparação entre as concentrações obtidas com o modelo fotoquímico (em azul) e as concentrações medidas na estação de qualidade do ar do Parque D. Pedro (em rosa). Parte a: variação da concentração de ozônio em ppb; parte b: variação da concentração de monóxido de carbono em pptm e parte c: variação da concentração de óxido de nitrogênio em ppb.