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13/06/2019 Adaptación de inventarios para modelización de la calidad del aire Foro tecnológico. Bases científico técnicas para la mejora de la calidad del aire en España. Valencia, 11-13 Junio 2019 M . Guevara, Tena, C., Jorba, O., Pérez García-Pando, C.

Adaptación de inventarios para modelización de la calidad ... · 4.05.2019  · inventarios para modelización de la calidad del aire Foro tecnológico. Bases científico técnicas

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13/06/2019

Adaptación de inventarios para modelización de la calidad del aire

Foro tecnológico. Bases científico técnicas para la mejora de la calidad del aire en España. Valencia, 11-13 Junio 2019

M. Guevara, Tena, C., Jorba, O., PérezGarcía-Pando, C.

Page 2: Adaptación de inventarios para modelización de la calidad ... · 4.05.2019  · inventarios para modelización de la calidad del aire Foro tecnológico. Bases científico técnicas

Training and education

Monitoring

Interpretation

Modelling

Dissemination

https://www.nature.com/articles/d41586-018-06150-5

Training and education

Monitoring

Interpretation

Modelling

Dissemination

✓ Analysis of past events

✓ Forecast

✓ Support to planning andhealth impact studies

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CALIOPE air quality systemProvides air quality information for the coming days and for the application of short term action plans for air quality managers.

Information is delivered using both

online or custom applications:

www.bsc.es/caliope

Smart city platform

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Emissions requirements:

• Spatially distributed over a gridded domain

• Temporally resolved with (typically) an hourly resolution

• Mapped to the species defined in the atmospheric chemistry model (e.g. VOC, NOx)

Air quality modelling chain

Atmospheric chemistry

model

Meteorological model

Emissions

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From global to local scales

Multi-scalemodels

• Global

• Regional

• Local

EMISSIONS: DIFFERENT NEEDS FOR DIFFERENT SCALES

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Emission inputsNational emission inventories Gridded emission inventories Modelled emissions

X Not gridded (total national)

X Not hourly (annual)

X Not speciated

√ Gridded (fixed grid)

X Not hourly (annual, monthly)

X Not speciated

√ Gridded (any grid)

√ Hourly

√ Speciated

Emission processing systems:Adapt the emission data to the air quality model’s requirement

Emission models:Combine activity and

emission factors to estimate hourly, gridded emissions

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HERMES: The high-Elective Resolution Modelling Emissions System

HERMES

(Baldasano et al., 2008)

HERMESv2

(Guevara et al., 2013)

HERMES-Mex

(Guevara et al., 2017)

HERMESv3

(Guevara et al., 2019)

Page 8: Adaptación de inventarios para modelización de la calidad ... · 4.05.2019  · inventarios para modelización de la calidad del aire Foro tecnológico. Bases científico técnicas

Official Emission Dataset Spatial Allocation Vertical Allocation

Chemical Speciation Temporal Allocation

HERMES-Mex: An emission processing tool for Mexico

CMAQ ready emission data

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HERMESv3

A python-based, open source and multiscale emission modelling framework that processes and estimates gas and aerosol emissions for

use in atmospheric chemistry models.

Page 10: Adaptación de inventarios para modelización de la calidad ... · 4.05.2019  · inventarios para modelización de la calidad del aire Foro tecnológico. Bases científico técnicas

HERMESv3

A python-based, open source and multiscale emission modelling framework that processes and estimates gas and aerosol emissions for

use in atmospheric chemistry models.

global-regional module(HERMESv3_GR)

bottom-up module(HERMESv3_BU)

A processing system to calculateemissions through an automatic

combination of existing inventoriesand user defined vertical, temporal

and speciation profiles

An emission model to estimateemissions at the source level (e.g. road link) combining state-of-the-art bottom-up methods with local

activity and emission factors

Guevara et al. (2019a, GMD) Guevara et al. (2019b, in preparation)

Page 11: Adaptación de inventarios para modelización de la calidad ... · 4.05.2019  · inventarios para modelización de la calidad del aire Foro tecnológico. Bases científico técnicas

HERMESv3_GR: global-regional module

• Combination of multiple up-to-date gridded emission inventories

• User defined destination working domain (multiple projections)

• Application of country-specific scaling and masking factors

• Temporal profiles per sector and pollutant

• Speciation profiles for multiple chemical mechanisms (CB05, RADM2, AERO5, AERO6)

• Outputs for multiple atmospheric chemistry models (CMAQ, WRF-Chem, MONARCH)

• Available at the BSC git repository: https://earth.bsc.es/gitlab/es/hermesv3_gr

HERMESv3_GR outputEmission data library

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HERMESv3_GR: Spatial remappingUser defined destination working domain:• Conservative remapping (ESMF)• Multiple spatial resolutions• Multiple projections: regular lat-lon, rotated

lat-lon, mercator, lambert conformal conic

Rotated lat-lon(0.1*0.1 deg)

Lambert conformal conic

(4kmx4km)

Mercator(50kmx50km)

Regular lat-lon(1.4*1.0 deg)

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HERMESv3_GR: Designing your experiment• Combination of multiple emission inventories• Application of country-specific scaling factors/masks

1

2

3

4

5

1 CAMS_REG_APv2.2.1

2 CAMS_REG_APv2.2.1 (EU)

3CAMS_REG_APv2.2.1 (EU) +

CAMS_GLOB_ANTv2.1 (rest)

4

CAMS_REG_APv2.2.1 (EU) +

CAMS_GLOB_ANTv2.1 (rest)

+ CAMS_GLOB_SHIPv1.1

5

CAMS_REG_APv2.2.1

(ESP*10, FRA*0.1) +

CAMS_GLOB_ANTv2.1 +

CAMS_GLOB_SHIPv1.1

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HERMESv3_GR: Temporal distribution• Specific monthly, weekly and diurnal profiles per sector and pollutant• Use of gridded profiles (variation not uniform across the space)

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

1

30

59

88

11

7

14

6

17

5

20

4

23

3

26

2

29

1

32

0

34

9

Barcelona Oslo

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Spain Germany

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Barcelona Berlin

Monthly – NH3 fertilizers Daily – PM2.5 residential Hourly – NO2 traffic

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HERMESv3_GR: Technical Implementation

1cpu: 1h20min 32cpu: 15min

Initialization Regrid Vertical Temporal Speciation WriteNoMore

sectors?

Yes

P_0 P_1 P_2 P_3

t0

t1

tn

t2

P_0 P_2 P_3

v0v1v2v3

vn

Test case:• Domain: Europe-North Africa-

Middle East (1021 x 721 cells)• Spatial resolution: 0.1x0.1deg• Vertical resolution: 48 layer• Emissions: TNO_MACC-iii (EU) +

HTAPv2 (others)• 24-h simulation

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HERMESv3_GR: Code AvailabilityHERMESv3_GR code, test case and user guide available at BSC gitlab repository

https://earth.bsc.es/gitlab/es/hermesv3_gr

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HERMESv3_BU: Bottom-up module

Criteria pollutants: NOx, CO, SO2, NMVOC, NH3, PM10, PM2.5

Greenhouse gases:CO2, CH4

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HERMESv3_BU: Bottom-up module

HERMESv3_BU

Road transport

Exhaust

Non-exhaust

Point sources

Energy industry

Manufacturing industry

Agriculture

Fertilizers

Livestock

Crop operations

Residential Other mobile sources

Shipping in ports

Air traffic (LTO)

Agricultural machinery

Recreational boats

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HERMESv3_BU: Input dataMore than 75% of the time spent building up an emission inventory is

devoted to compile and homogenise all the input data. There is a need to centralise all this information.

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HERMESv3_BU: Road transportTraffic flow data (vehicle counts and speed)

Vehicle fleet composition

Emission factors (speed dependent)

Meteorological parameters

Temperature and precipitation to account for variation in evaporative/resuspension emissions

+ resuspension (Amato et al., 2011)

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HERMESv3_BU: Fertilizers

Meteorology• Temperature• Wind speed• Growing Degree

DaysCultural techniques• N application rate• Crop calendars• Type of fertilizers• Type of application

Soil properties• PH• CEC

General information• Crop hectares• Land uses

0

20

40

60

80

100

120

1

19 37 55 73 91

10

9

12

7

145

16

3

18

1

19

9

21

7

23

5

25

3

27

1

28

9

30

7

32

5

34

3

36

1

t d

ay-1

Lleida

Barley Maize Wheat Others

0

20

40

60

80

100

120

1

19 37 55 73 91

10

9

12

7

14

5

16

3

18

1

19

9

21

7

235

25

3

27

1

28

9

30

7

32

5

34

3

36

1

t d

ay-1

South of Castilla Leon

Barley Maize Wheat Others

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HERMESv3_BU: Livestock

Meteorology• Temperature• Wind speed

Cultural techniques• N excreta rate• TAN• Barn type• Storage type

General information• Number of animals

05

10152025303540455055

1

19 37 55 73 91

109

127

145

163

181

199

217

235

253

271

289

307

325

343

361

t d

ay-1

Murcia

Pigs Cattle Others

05

10152025303540455055

1

19 37 55 73 91

109

127

145

163

181

199

217

235

253

271

289

307

325

343

361

t d

ay-1

Galicia

Pigs Cattle Others

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HERMESv3_BU: Other mobile sourcesShipping activities in ports Recreational boats in marinas

0,E+00

1,E+04

2,E+04

3,E+04

4,E+04

NOx SO2 CO NMVOC PM10 PM25

t /

year

Total annual emissions

Port activities Small Boats

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HERMESv3_BU: Inter-comparisons

0,0E+00

1,0E+05

2,0E+05

3,0E+05

4,0E+05

5,0E+05

NOx CO NMVOC SOx NH3 PM10 PM2.5

Other stationary combustion [t/year]

HERMESv3 INESP 2015

0,0E+00

3,0E+04

6,0E+04

9,0E+04

1,2E+05

Aragon -Catalonia

Murcia

Total NH3 [t/year]

HERMESv3 IASIVan Damme et al. (2018, Nature)

Page 25: Adaptación de inventarios para modelización de la calidad ... · 4.05.2019  · inventarios para modelización de la calidad del aire Foro tecnológico. Bases científico técnicas

Use of artificial intelligence to combine high resolution video-based traffic data with instantaneous emission models

Beyond the state-of-the art

0

100

200

300

400

500

0

10

20

30

40

50

60

20 40 60 80 100 120

NO

x (g

/h)

Spe

ed (

km/h

)Time (s)

speed PHEMlight

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Beyond the state-of-the art

Use of GPS data from ships and data mining and machine learning techniques to assess very high resolution shipping emissions

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THANK YOU!

www.bsc.es

[email protected]

HERMESv3 represents an effort to facilitate the use of emission inventories within the air quality modelling community

Next step: Engage and collaborate with key actors to develop a national emission tool that fulfils the needs of researchers, operational services,

administrations and companies