EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO DE CALIDAD DEL … · 2018. 11. 7. · Earth Sciences Department Departamento de Ciencias de la Tierra Sistema CALIOPE Fecha: 13‐Mayo‐2014

EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO DE CALIDAD DEL AIRE CALIOPE EN ESPAÑA

2013

Barcelona Supercomputing Center

Departamento de Ciencias de la Tierra

Mayo del 2014

Portada:

Pronóstico de CALIOPE para las concentraciones máximas horarias (1h) en superficie de NO2 el 4 de diciembre de 2013, correspondiente al episodio de contaminación que afectó a España del 3 al 14 de diciembre.

Autores:

Redacción: Gustavo Arévalo

Supervisión: José María Baldasano y María Teresa Pay

Soporte Técnico David Carrió y Kim Serradell

Departamento de Ciencias de la Tierra, Barcelona Supercomputing Center

Earth Sciences Department Departamento de Ciencias de la Tierra

Sistema CALIOPE

Fecha: 13‐Mayo‐2014

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Evaluación del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en España para el año 2013

ÍNDICE

1. Introducción ....................................................................................................... 7 2. Configuración del sistema de pronóstico CALIOPE .............................................. 9 2.1 Dominios de simulación ................................................................................... 10 2.2 Post‐proceso de las concentraciones simuladas ............................................. 10 2.3 Productos de pronóstico .................................................................................. 10 2.4 Sistema de evaluación operacional ................................................................. 10

3. Evaluación del pronóstico de calidad del aire .................................................... 11 3.1.1 Medidas de calidad del aire en España ............................................................... 11 3.1.2 Evaluación operacional ....................................................................................... 15

3.2 Resumen del comportamiento anual del sistema para el dominio de la Península Ibérica. ........................................................................................................ 18

3.2.1 Ozono .................................................................................................................. 18 3.2.2 Dióxido de nitrógeno ........................................................................................... 26 3.2.3 Dióxido de azufre ................................................................................................. 33 3.2.4 PM10 ..................................................................................................................... 40 3.2.5 PM2.5 .................................................................................................................... 47 3.2.6 Evaluación frente a objetivos de calidad según la Directiva 2008/50. ................ 52 3.2.7 Mapas anuales de concentración ........................................................................ 53 3.2.8 Comparativa de resultados estadísticos CALIOPE IP 2013 vs 2011 ..................... 58

3.3 Resumen del comportamiento anual del sistema para el dominio de las Islas Canarias. ..................................................................................................................... 63

3.3.1 Ozono .................................................................................................................. 64 3.3.2 Dióxido de nitrógeno ........................................................................................... 67 3.3.3 Dióxido de azufre ................................................................................................. 69 3.3.4 PM10 ..................................................................................................................... 71 3.3.5 PM2.5 .................................................................................................................... 73 3.3.6 Mapas anuales de concentración ........................................................................ 75 3.3.7 Comparativa de resultados estadísticos CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011 ................. 79

4. Evaluación de la eficacia del sistema de predicción ........................................... 83 5. Resumen y conclusiones ................................................................................... 84 6. Referencias ....................................................................................................... 89

ANEXO I: Fichas de evaluación 2013


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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Portal web del proyecto CALIOPE (www.bsc.es/caliope). ............................................................. 7 Figura 2. Esquema del sistema de pronóstico de la calidad del aire CALIOPE. ............................................ 9 Figura 3. Localización y cómputo de las estaciones de calidad del aire disponibles en 2013 ordenadas por

orden decreciente por CCAA. (a) Número total de estaciones, (b) número de estaciones para O3, (c) número de estaciones para NO2, (d) número de estaciones para SO2, (e) número de estaciones para PM10 y (f) número de estaciones para PM2.5. Estaciones rurales (R, en azul), suburbanas (S, en verde) y urbanas (U, en amarillo) ................................................................... 13

Figura 4. (a) Localización de los focos de los sectores SNAP03 y SNAP04 y de las estaciones de calidad del aire en la Bahía de Algeciras. b) Localización de los focos de emisiones del sector SNAP01 y de las estaciones de medida en noroeste de España. Estaciones rurales(azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo) ........................................................................................................................ 15

Figura 5. Localización de las estaciones de calidad del aire en los dos grandes núcleos urbanos de España: (a) Madrid y (b) Barcelona. Estaciones rurales (azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo) ...................................................................................................................................... 15

Figura 6. Porcentaje de estaciones de O3 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría. ...................................................................................................................................................... 21

Figura 7. Evaluación del O3 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio. ...................................................................................................................................................... 22

Figura 8. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de tráfico Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ........................................... 23

Figura 9. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de fondo Arturo Soria (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto. ................................................. 23

Figura 10. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ................................................... 24

Figura 11. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de tráfico de Badalona (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ............................... 24

Figura 12. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana industrial de la Cartuja (Sevilla): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ................................... 25

Figura 13. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana de Fondo Vic Zona Universitaria (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ................... 25

Figura 14. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana de Fondo Algete (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ................................................ 26

Figura 15. Porcentaje de estaciones de NO2 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría. ...................................................................................................................................................... 29

Figura 16. Evaluación del NO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio. ...................................................................................................................................................... 30

Figura 17. Series temporales mensuales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ........................................... 31

Figura 18. Series temporales mensuales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana fondo de Plaza del Carmen (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ..................................... 31

Figura 19. Series temporales mensuales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ..................................... 32


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Figura 20. Series temporales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Badalona (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto Dióxido de azufre ..................................... 32

Figura 21. Porcentaje de estaciones de SO2 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría. ...................................................................................................................................................... 36

Figura 22. Evaluación del SO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio. ...................................................................................................................................................... 37

Figura 23. Series temporales mensuales de SO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ........................................... 38

Figura 24. Series temporales mensuales de SO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana industrial Campus Carmen (Huelva): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ............................ 38

Figura 25. Series temporales mensuales de SO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana fondo Algeciras EPS (Andalucía): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto ............................................ 39

Figura 26. Localización de las estaciones de calidad del aire con medición de SO2 y su calificación para el MB en la Bahía de Algeciras. En la figura también se muestran los principales focos de emisión del sector SNAP01 en esta zona. Estaciones rurales (azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo) ...................................................................................................................................... 39

Figura 27. Porcentaje de estaciones de PM10 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría. ...................................................................................................................................... 43

Figura 28. Evaluación del PM10 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio. ...................................................................................................................................................... 44

Figura 29. Series temporales mensuales de PM10 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ............................. 45

Figura 30. Series temporales mensuales de PM10 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ..................................... 45

Figura 31. Series temporales mensuales de PM10 de mayo a agosto de 2013 en la estación rural fondo Guadalix Sierra (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ............................... 46

Figura 32. Series temporales mensuales de PM10 de mayo a agosto de 2013 en la estación rural fondo Sierra Norte (Sevilla): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ..................................... 46

Figura 33. Porcentaje de estaciones de PM2.5 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría. ...................................................................................................................................... 49

Figura 34. Evaluación del PM2.5 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio. ...................................................................................................................................................... 50

Figura 35. Series temporales mensuales de PM2.5 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Alcorcón (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 ......................................... 51

Figura 36. Series temporales mensuales de PM2.5 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana industrial Cortijillos (Andalucía): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013 .................... 51

Figura 37. Histograma de frecuencia de ERD para las concentraciones horarias de O3 (a), máximas diarias 8h de O3 (b) y horarias de NO2 (c) y PM10 (d), en función del entorno (izquierda) y la emisión (centro). Porcentaje total de estaciones en cada rango del histograma (derecha). .................... 52

Figura 38. Concentración de O3 media (abril – septiembre) pronosticada por el sistema CALIOPE en el 2013. ............................................................................................................................................. 54

Figura 39. Concentración media anual de NO2 pronosticada por el sistema CALIOPE en el 2013. ............ 55 Figura 40. Concentración media anual de SO2 pronosticada por el sistema CALIOPE en el 2013. ............ 56


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Figura 41. Concentración media anual de PM10 pronosticada por el sistema CALIOPE en el 2013. .......... 57 Figura 42. Concentración media anual de PM2.5 pronosticada por el sistema CALIOPE en el 2013.

(a) CMAQ 5.0.1 (b) CMAQ 5.0.1 + BSC‐DREAM8bv2 .................................................................... 59 Figura 43. Red de estaciones de calidad del aire del archipiélago de Canarias. Estaciones rurales (R, en

azul), suburbanas (S, en verde) y urbanas (U, en amarillo) .......................................................... 64 Figura 44. Estaciones de O3 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (ver Tabla 4) .. 65 Figura 45. Evaluación del O3 horario en las estaciones RedESP disponibles de acuerdo a los criterios de

calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio ...................................................................................................................................................... 66

Figura 46. Estaciones de NO2 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (ver Tabla 4) 67 Figura 47. Evaluación del NO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de


Figura 48. Estaciones de SO2 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (ver Tabla 4).69 Figura 49. Evaluación del SO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de


Figura 50. Estaciones de PM10 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (Tabla 4) .... 71 Figura 51. Evaluación del PM10 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de


Figura 52. Estaciones de PM2.5 pertenecientes a cada criterio de calidad para CALIOPE‐CAN (Tabla 4) ... 73 Figura 53. Evaluación del PM2.5 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de


Figura 54. Concentración de O3 media (abril – septiembre) pronosticada por el sistema CALIOPE‐CAN en el 2013. ......................................................................................................................................... 75

Figura 55. Concentración media anual de NO2 (arriba) y SO2 (abajo) pronosticada por el sistema CALIOPE‐CAN en el 2013. ............................................................................................................. 76

Figura 56. Concentración media anual de PM10 pronosticada por el sistema CALIOPE‐CAN en el 2013. (a) CMAQ 5.0.1) y (b) CMAQ 5.0.1+BSC‐DREAM8bv2 ....................................................................... 77

Figura 57. Concentración media anual de PM2.5 pronosticada por el sistema CALIOPE‐CAN en el 2013. (a) CMAQ 5.0.1) y (b) CMAQ 5.0.1+BSC‐DREAM8bv2 ....................................................................... 78


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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Estudios de CALIOPE publicados en revistas internacionales y otros. ............................................ 8 Tabla 2. Histórico de la configuración del sistema CALIOPE para el dominio de la Península Ibérica ....... 11 Tabla 3. Descripción de los estadísticos utilizados para la evaluación ....................................................... 16 Tabla 4. Criterios de calidad para la evaluación del sistema CALIOPE definidos en función de parámetros

estadísticos (coeficiente de correlación, r; bias medio, Bias; error cuadrático medio, RMSE) teniendo en cuenta estudios y resultados previos. ...................................................................... 17

Tabla 5. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de O3 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ....................................... 18

Tabla 6. Series temporales de O3 seleccionadas como ejemplo para el año 2013. ................................... 20 Tabla 7. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones

de NO2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ............................ 26

Tabla 8. Series temporales de NO2 seleccionadas como ejemplo para el año 2013. ................................. 28 Tabla 9. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones

de SO2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ............................ 33

Tabla 10. Series temporales de SO2 seleccionadas como ejemplo para el año 2012. ................................ 35 Tabla 11. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones

de PM10 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ............................ 40

Tabla 12. Series temporales de PM10 seleccionadas como ejemplo para el año 2013. ............................. 42 Tabla 13. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones

de PM2.5 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ............................ 47

Tabla 14. Series temporales de PM2.5 seleccionadas como ejemplo para el año 2013. ............................. 48 Tabla 15. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐IP 2013 vs 2011, para el

ozono ............................................................................................................................................ 60 Tabla 16. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐IP 2013 vs 2011, para el

dióxido de nitrógeno .................................................................................................................... 61 Tabla 17. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐IP 2013 vs 2011, para el

dióxido de azufre .......................................................................................................................... 61 Tabla 18. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐IP 2013 vs 2011 para PM10 62 Tabla 19. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐IP 2013 vs 2011, para PM2.5

...................................................................................................................................................... 63 Tabla 20. Estadísticos anuales de CALIOPE‐CAN 2013 frente a medidas de la RedESP para las

concentraciones de O3 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. .................. 64

Tabla 21. Estadísticos anuales de CALIOPE‐CAN 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de NO2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS,


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media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. .................. 67

Tabla 22. Estadísticos anuales de CALIOPE‐CAN 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de SO2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. .................. 69

Tabla 23. Estadísticos anuales de CALIOPE‐CAN 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de PM10 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ........... 71

Tabla 24. Estadísticos anuales de CALIOPE‐CAN 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de PM2.5 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. ........... 73

Tabla 25. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011, para el ozono ............................................................................................................................................ 80

Tabla 26. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011, para el dióxido de nitrógeno .................................................................................................................... 80

Tabla 27. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011, para el dióxido de azufre .......................................................................................................................... 81

Tabla 28. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011, para PM10 .............................................................................................................................................. 82

Tabla 29. Resumen de los principales estadísticos de la evaluación CALIOPE‐CAN 2013 vs 2011, para PM2.5 ............................................................................................................................................. 82

Tabla 30. Porcentaje de la eficiencia técnica del sistema de pronóstico CALIOPE. .................................... 83 Tabla 31. Porcentaje de días pronosticados correctamente desde 20090101 a 20140505 para los

dominios de trabajo en función de cada modelo que integra el sistema CALIOPE. ..................... 83 Tabla 32. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 para la Península Ibérica por contaminante. #estaciones,

número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; r, media de coeficientes de correlación; Bias, bias medio en µg m‐3; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. Criterios de calidad definidos en Tabla 4: Muy Bueno (MB) y Bueno (B). .................. 85

Tabla 33. Estadísticos anuales de CALIOPE‐CAN 2013 para las Islas Canarias por contaminante. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; r, media de coeficientes de correlación; Bias, bias medio en µg m‐3; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3. Criterios de calidad definidos en Tabla 4: Muy Bueno (MB) y Bueno (B). ..................................................................................................................................... 87


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1. INTRODUCCIÓN

El sistema de pronóstico de la CALIdad del aire Operacional Para España (CALIOPE) del Departamento de Ciencias de la Tierra del Barcelona Supercomputing Center ‐ Centro Nacional de Supercomputación (BSC‐CNS), proporciona de forma operacional el pronóstico de la calidad del aire para Europa y España a alta resolución espacial y temporal a través del conjunto de modelos HERMES, WRF‐ARW, CMAQ y BSC‐DREAM8b y ejecutados en el superordenador MareNostrum. El sistema ha sido financiado por el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (441/2006/3‐12.1, A357/2007/2‐12.1 y 157/PC‐08/3‐12‐.0). La Figura 1 presenta el aspecto del portal web del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE (www.bsc.es/caliope).

Figura 1. Portal web del proyecto CALIOPE (www.bsc.es/caliope).

El sistema CALIOPE, proporciona pronósticos de calidad del aire a 24 y 48 horas, con resolución temporal de 1h, para Europa y España con una resolución horizontal de 12 km x 12 km y 4 km x 4 km, respectivamente, con anidamientos sobre las comunidades autónomas de Canarias a 2 km x 2 km y Cataluña, Madrid y Andalucía a 1 km x 1 km (Figura 1, www.bsc.es/caliope). CALIOPE proporciona la concentración horaria en superficie de O3, NOx, CO, SO2, PM10, PM2.5 y benceno.

El sistema CALIOPE es una herramienta orientada a los gestores de la calidad del aire y a los ciudadanos, en general, que permite conocer con antelación los niveles de la


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calidad del aire y su dinámica a nivel europeo y español. El sistema funciona operacionalmente desde septiembre del año 2007.

El sistema CALIOPE para España incluye un proceso de corrección del bias de las concentraciones pronosticadas basado en el filtro de Kalman (Sicardi et al, 2012). Además, consta de un módulo de evaluación en tiempo real, en inglés denominado Near Real Time (NRT), que permite el cálculo de diferentes estadísticos a partir de las medidas de más de 400 estaciones de calidad del aire. Del mismo modo, se evalúa en continuo el funcionamiento del modelo meteorológico, y el perfil vertical de ozono.

Además del sistema de evaluación en NRT, el sistema se ha evaluado en modo diagnóstico, con base en año 2004, en diferentes estudios publicados durante los últimos años y en modo pronóstico con base en los años 2009, 2011, y 2013 (Tabla 1).

Tabla 1. Estudios de CALIOPE publicados en revistas internacionales y otros.

Dominio Modo Referencia Añoevaluado Resolución horizontal

Europa Diagnóstico Pay et al. (2010, 2012a) 2004 12 km x 12 km Diagnóstico Basart et al. (2012a) 2004 12 km x 12 km

Portugal Pronóstico Borrego et al. (2011) 2010 4 km x 4 km España Diagnóstico Baldasano et al. (2011) 2004 4 km x 4 km

Diagnóstico Pay et al. (2011, 2012b) 2004 4 km x 4 km Diagnóstico Sicardi et al. (2012) 2004 4 km x 4 km Pronóstico Pay et al. (2012c) 2011 4 km x 4 km Diagnóstico Gonçalves et al. (2012) 2004 4 km x 4 km

Barcelona Diagnóstico Gonçalves et al. (2009) 2004 1 km x 1 km Pronóstico Pay et al. (2014) 2013 1 km x 1 km, 4 km x 4 km

Madrid Diagnóstico Gonçalves et al. (2009) 2004 1 km x 1 km Pronóstico Pay et al. (2014) 2013 1 km x 1 km, 4 km x 4 km

Andalucía Pronóstico Pay et al. (2014) 2013 1 km x 1 km, 4 km x 4 kmCataluña Diagnóstico Jiménez et al. (2008) 2006 24 km x 24 km

Pronóstico Aguilera et. al (2013) 2007/2008 4 km x 4 km

El objetivo de este documento es evaluar el funcionamiento del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE para el año 2013 desde un doble punto de vista. Primero, mostrar la calidad de los pronósticos de calidad del aire en base a diferentes criterios de calidad utilizando medidas en superficie. Por último, mostrar la eficacia del sistema como infraestructura informática.

La sección 2 de este documento describe las principales características del sistema de pronóstico de calidad del aire CALIOPE en cuanto a su configuración y productos que proporciona como herramienta de pronóstico. La sección 3 presenta la metodología de evaluación el sistema desde el punto de vista de la calidad de los pronósticos de calidad del aire y los principales resultados. La sección 4 presenta un análisis de la eficiencia del sistema de predicción, para la Península Ibérica y para las Islas Canarias. La sección 5 resume los principales resultados y conclusiones de este informe.


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2. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO CALIOPE

El sistema integra los siguientes modelos WRF‐ARW/HERMES/CMAQ/BSC‐DREAM8b (Figura 2). El modelo WRF‐ARW v3.5 proporciona la información meteorológica (www.wrf‐model.org). Las emisiones se derivan del modelo HERMESv2 (High Elective‐Resolution Modelling Emission System) (Guevara et. al 2012). CMAQ v5.0.1 es el modelo de transporte químico usado para la dispersión y transformación de los contaminantes (www.cmaq‐model.org). El sistema también considera la contribución de polvo natural y su aportación al material particulado (PM) a partir del modelo BSC‐DREAM8bv2 (Pérez et al 2006a, 2006b; Basart et al. 2012b).

Figura 2. Esquema del sistema de pronóstico de la calidad del aire CALIOPE.

Una de las componentes más importantes en un modelo de calidad del aire son las emisiones. En CALIOPE se ha desarrollado un modelo específico de emisiones “bottom‐up” para España, el modelo HERMES v2.0 (Guervara et al., 2013). HERMES gestiona sus bases de datos en un entorno SIG y la parte de cálculo está programada en C++. El modelo calcula las emisiones de gases y material particulado, considerando tanto emisiones antropogénicas (tráfico rodado incluida la resuspensión, marítimo y aéreo en puertos y aeropuertos, sector industrial, generación eléctrica, y sector doméstico y comercial) como biogénicas. Los cálculos se realizan en base horaria, desde una resolución espacial de 1 km x 1 km, y con base informativa de los años 2009 y 2010.


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2.1 Dominios de simulación CALIOPE utiliza como dominio inicial Europa (12 km x 12 km), denominado dominio madre. Posteriormente, realiza anidamientos en Península Ibérica (4 km x 4 km), y alta resolución en las Islas Canarias (2 km x 2 km) y las comunidades autónomas de Andalucía, Cataluña y Madrid a (1 km x 1 km).

2.2 Post‐proceso de las concentraciones simuladas Se utiliza la técnica del filtro de Kalman para corregir los bias sistemáticos en las concentraciones modeladas en superficie de O3, NO2, PM10 y PM2.5 a partir de la observaciones en las estaciones de RedESP, como se describe en Borrego et al. (2011) y Sicardi et al. (2012).

2.3 Productos de pronóstico El sistema CALIOPE proporciona pronósticos de calidad del aire para España a 24 horas (D0) y 48 horas (D1) para los principales contaminantes (O3, NOx, CO, SO2, PM10, PM2.5 y desde el 2013 benceno) en base horaria. La información se divulgada a través de la página web (www.bsc.es/caliope) mediante mapas de concentración en superficie en formato *.gif (cada 6 horas, máximos D0, máximos D1 y animaciones) sobre la Península Ibérica y sobre las comunidades autónomas a modo de zoom.

Los mapas de concentración animados, para los pronósticos a 24 y 48h en resolución horaria, también están disponibles en formato *.kmz para visualizarlos con Google Earth. Esto es una herramienta útil para cruzar los pronósticos de calidad del aire con otras fuentes de información georeferenciadas.

También está disponible un archivo a través del cual se puede acceder al histórico de las predicciones horarias desde febrero del 2007.

2.4 Sistema de evaluación operacional El sistema CALIOPE cuenta con un módulo de evaluación que funciona en modo operacional, el cual compara los resultados del modelo en superficie con datos medidos hora a hora en sobre estaciones pertenecientes a la RedESP. Esta aplicación permite al usuario conocer en tiempo casi real la fiabilidad del sistema (www.bsc.es/caliope/evaluacion).

El sistema CALIOPE genera de manera operativa desde el 2009, los siguientes productos de evaluación al acceder a cada estación:

‐ Series temporales quincenales para cada contaminante. ‐ Series temporales mensuales para cada contaminante. ‐ Fichas de evaluación anual acumulada. Esta ficha proporciona un análisis

integrado de la evaluación por estación, en la cual se incluyen el O3, NO2, SO2,


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PM10 y PM2.5. Es una ficha dinámica, pues se va actualizando semanalmente de manera operativa (desde el 2011).

La descripción detallada de las ficha de evaluación se incluye en el Anexo I, junto a cual se adjuntan las fichas de evaluación de todas la estaciones utilizadas en la evaluación 2013.

En la Tabla 2 se recoge la configuración del sistema CALIOPE para el dominio de la Península Ibérica, desde junio del 2007, momento en que se comenzó a generar el pronóstico de forma operacional.

Tabla 2. Histórico de la configuración del sistema CALIOPE para el dominio de la Península Ibérica

3. EVALUACIÓN DEL PRONÓSTICO DE CALIDAD DEL AIRE

En este apartado se analizan los resultados de la evaluación de sistema CALIOPE en el año 2013, considerando la aplicación del filtro de Kalman en postproceso, utilizando la red española de la calidad del aire RedESP. Metodología de evaluación de los pronósticos de calidad del aire

3.1.1 Medidas de calidad del aire en España

Para la evaluación operacional de los pronósticos de calidad del aire del sistema CALIOPE durante el 2013 en el dominio de España se han utilizado los valores de las estaciones de medida disponibles de la red española de calidad del aire (RedESP), gestionadas por cada comunidad autónoma. La evaluación se realiza para los contaminantes O3, NO2, SO2, PM10 y PM2.5, para las cuales se dispone de una completa red de estaciones y medidas. En el caso del benceno, solo se dispone de observaciones

UE PI

Cv1‐fcst Desde 2007‐06 WRF‐ARW v2.2.1 Sintéticas (6) DREAM

Desde 2009‐06 LMDz‐INCA diario

Desde 2011‐02‐11

Desde 2011‐02‐28

Desde 2011‐05‐03 WRF‐ARW v3.2.1

Desde 2012‐03‐12

Desde 2012‐06‐22

Desde 2012‐08‐14

Desde 2012‐09‐17 WRF‐ARW v3.5

Desde 2013‐02‐08 WRF‐ARW v3.2.1

Desde 2013‐08‐30

Desde 2014‐03‐14

Filtro de Kalman*

Condiciones de contorno

MeteoFecha

WRF‐ARW v3.5

Versión CALIOPE

HERMESv2 + EMEP (2011)

Cv3‐fcst

Cv2‐fcst

WRF‐ARW v3.0.1.1

WRF‐ARW v3.3.1

HERMESv2 + EMEP (2009)

HERMES‐2004 (EMEP, 2004)

HERMES_DIS v.2.0 EMEP (2008)

HERMES _DIS v2.1 EMEP (2009) Incluye MEGAN

Emisiones*

HERMES‐2004+ EMEP (2009) Incluye MEGAN

HERMES‐2004+ EMEP (2008)

HERMES‐2004 (EMEP, 2004)

CMAQ v4.5 BSC‐DREAM8b

NCAR MOZART‐4/GEOS‐5 (6h)

CMAQ v5.0.1

LMDz‐INCA media mensual 2004

Química

BSC‐DREAM8b v2

NO2, PM10 y PM2.5 (Para O3 está aplicado

desde 15‐jun‐2010)

Polvo

‐


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para 22 estaciones y la mitad está en la Comunidad de Madrid, por tanto no ha sido evaluado.

La Figura 3a representa la localización de las 443 estaciones que durante el 2013 enviaron datos de manera operativa para la evaluación del sistema, de estas el 45% son estaciones urbanas, el 29% estaciones suburbanas y el 26% son estaciones rurales.

Respecto al año 2011, se ha incrementado el número de estaciones con observaciones de 344 a 443 estaciones, especialmente en las comunidades, en Castilla y León (de 1 a 18), Extremadura (de 1 a 7), País Vasco (de 32 a 44), La Rioja (de 0 a 5) y en menor medida Castilla‐La Mancha (de 10 a 14), además se considera el dominio de las Islas Canarias dentro de la evaluación con 33 estaciones, aunque su tratamiento se hará de forma independiente.

Las instituciones que proporcionaron estos datos son:

1. European Enviromental Agency (EEA)

2. Generalitat de Catalunya 3. Gobierno de Cantabria 4. Junta de Andalucía 5. Gobierno de Canarias 6. Comunidad de Madrid

7. Ayuntamiento de Madrid 8. Govern de les Illes Balears 9. Xunta de Galicia 10. Gobierno de La Rioja 11. Gobierno Extremadura 12. Junta de Castilla y León 13. Junta de Castilla‐La Mancha

Por contaminante, el número total de estaciones disponible es el siguiente (Figura 3):

‐ 309 estaciones de O3: 43% urbanas, 29% suburbanas y 28% rurales. ‐ 370 estaciones de NO2: 48% urbanas, 29% suburbanas y 23% rurales. ‐ 278 estaciones de SO2: 48% urbanas, 29% suburbanas y 23% rurales. ‐ 229 estaciones de PM10: 49% urbanas, 29% suburbanas y 22% rurales. ‐ 69 estaciones de PM2.5: 45% urbanas, 32% suburbanas y 23% rurales.

El NO2 es el contaminante con mayor cantidad de estaciones de medida con 370 y el contaminante con menos estaciones es el PM2.5 con 69 concentradas mayoritariamente en Andalucía y Canarias, siendo principalmente estaciones suburbanas en un 45%.

Los contaminantes NO2, SO2 y PM10 comparten aproximadamente la misma distribución por tipo de estación, con un 48% de estaciones urbanas, un 29% de estaciones suburbanas y un 23% de estaciones rurales. El contaminante con mayor porcentaje de estaciones rurales es el O3 con un 28%, manteniendo la misma proporción que los anteriores para las estaciones suburbanas con 29%.

En cuanto a la cobertura espacial, las comunidades autónomas más densamente pobladas ‐Andalucía, Cataluña, Madrid y Comunidad Valenciana, pero que ocupan el 15% del territorio y concentran cerca del 60% de la población española (INE 2011) presentan el mayor número de estaciones de medida (84, 80, 47 y 47,


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respectivamente). Por el contrario, la comunidades autónomas con menor densidad de población ‐Castilla y León, Castilla–La Mancha, Aragón y Extremadura‐ que comprenden el 52% del territorio y albergan el 15% de la población (INE 2011)‐ presentan el menor número de estaciones (18, 14, 6 y 7, respectivamente).

Número total de estaciones de la RedEsp

Número de estaciones de O3

Figura 3. Localización y cómputo de las estaciones de calidad del aire disponibles en 2013 ordenadas por orden decreciente por CCAA. (a) Número total de estaciones, (b) número de estaciones para O3, (c) número de estaciones para NO2, (d) número de estaciones para SO2, (e) número de estaciones para

PM10 y (f) número de estaciones para PM2.5. Estaciones rurales (R, en azul), suburbanas (S, en verde) y urbanas (U, en amarillo)

Número de estaciones de NO2

Total= 309, Urbanas=133, Suburbanas=91 y Rural=85


Total= 443, Urbanas=116, Suburbanas=127 y Rural=200 a)

b)

c)


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Número de estaciones de SO2

Número de estaciones de PM10

Número de estaciones de PM2.5

Figura 3. Continuación.

La disponibilidad de estaciones entorno a la principales zonas industriales en España presenta una buena cobertura en el área de la costa Mediterránea, valle del río Ebro y Guadalquivir y Gibraltar (Figura 4a). Sin embargo, la zona de noroeste español que comprende las provincias de Asturias y León, una de las zonas más importantes de concentración de centrales térmicas en España no queda suficientemente cubierta por las estaciones de medida (Figura 4b).




d)

e)

f)


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Figura 4. (a) Localización de los focos de los sectores SNAP03 y SNAP04 y de las estaciones de calidad del aire en la Bahía de Algeciras. b) Localización de los focos de emisiones del sector SNAP01 y de las estaciones de medida en noroeste de España. Estaciones rurales(azul), suburbanas (verde) y urbanas

(amarillo)

En las áreas urbanas de Madrid y Barcelona, se concentran gran parte de las estaciones de calidad del aire, ver Figura 5, donde obviamente, las estaciones presentes son principalmente de tipo urbano y de éstas en su mayoría de tráfico y de fondo.

Figura 5. Localización de las estaciones de calidad del aire en los dos grandes núcleos urbanos de

España: (a) Madrid y (b) Barcelona. Estaciones rurales (azul), suburbanas (verde) y urbanas (amarillo)

3.1.2 Evaluación operacional

Para la evaluación del sistema CALIOPE en el año 2013 utilizaremos los productos que se generan de manera operativa, ver apartado 2.4 y http://www.bsc.es/caliope/evaluacion.

a) b)

a) b)


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En una primera parte se muestra la evaluación para el dominio IP con resolución de 4 km x 4 km, y en la segunda parte la evaluación para el dominio de las Islas Canarias con resolución 2 km x 2 km.

En función del dominio, para evaluar de manera global el rendimiento anual del sistema CALIOPE se han definido unos criterios de calidad con base a los estadísticos siguientes: coeficiente de correlación (r), bias medio (MB) y error cuadrático medio (RMSE).

Descripción de los parámetros estadísticos utilizados para la evaluación se muestran en la siguiente Tabla.

Tabla 3. Descripción de los estadísticos utilizados para la evaluación

Parámetro estadístico Fórmula

Coeficiente de correlación (r)

N

io

io

N

im

im

N

io

iom

im

CCCC

CCCCr

1

2_

1

2_

1

__

)()(

))((

Bias medio (MB)

N

i

io

im

NCCMB

1

Error cuadrático medio (RMSE)

N

i

io

im

NCCRMSE

1

2

Donde, imC es la concentración pronosticada para la hora i, mC es el valor promedio modelado

durante el periodo N, ioC es la concentración observada para la hora i, y oC es el valor promedio observado durante el periodo N.

La determinación del rango correspondiente a cada métrica se ha determinando a partir de varias fuentes de información ya publicadas (Pay et al.,2010, 2012c; Baldasano et al.,2011). Los criterios de calidad propuestos (Tabla 4) son función del contaminante y clasifican el comportamiento del modelo en 5 clases:

‐ Muy bueno (MB) ‐ Bueno (B) ‐ Aceptable (A) ‐ Malo (M) ‐ Muy Malo (MM)


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Tabla 4. Criterios de calidad para la evaluación del sistema CALIOPE definidos en función de parámetros estadísticos (coeficiente de correlación, r; bias medio, Bias; error cuadrático medio, RMSE) teniendo en

cuenta estudios y resultados previos.

Contaminante Bias r RMSE (µg/m3) ‐ (µg/m3)

MB = 0* r = 1* RMSE = 0* O3 Muy Bueno (MB) |MB| 0.70 RMSE


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3.2 Resumen del comportamiento anual del sistema para el dominio de la Península Ibérica.

3.2.1 Ozono

La evaluación del O3 en términos estadísticos se resume en la Tabla 5. Cuantitativamente los bias medios se encuentran ~1 µgm‐3 y los errores cuadráticos medios ~21 µgm‐3. Por área, las estaciones rurales presentan los menores bias y errores (‐0.9 µgm‐3 y 19.2 µgm‐3, respectivamente) coincidiendo con las mayores medias anuales (observadas y modeladas) entre su categoría (~69 µgm‐3). Por emisión, las estaciones de fondo también presentan los menores bias y errores (0.52 µgm‐3 y 20.8 µgm‐3, respectivamente) coincidiendo con las mayores medias anuales entre su categoría (~61 µgm‐3).

Tabla 5. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de O3 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de

correlación; RMSE, error cuadrático medio en µg m‐3.

#estaciones OBS MOD Bias r RMSE Todas 302 58.4 59.2 0.87 0.66 21.1

Área Urbana 125 52.5 53.7 1.21 0.66 21.6

Suburbana 92 56.3 58.3 2.02 0.65 21.9 Rural 85 69.3 68.4 ‐0.90 0.65 19.3

Emisión Tráfico 47 46.8 48.9 2.14 0.63 21.3

Industrial 59 59.8 60.8 0.99 0.66 21.8 Fondo 196 60.7 61.3 0.52 0.67 20.8

La evaluación de CALIOPE teniendo en cuenta los criterios de calidad definidos en la Tabla 4 se muestran gráficamente en la Figura 6 en funcion del tipo de estación y se discuten a continuación.

La evaluación de todas las estaciones revela que:

‐ En términos de Bias: el 88% de las estaciones presentan un comportamiento “Muy Bueno”, con un sesgo medio anual de ± 5 µgm‐3 en las concentraciones horarias de O3.

‐ En términos de r: el 35% de las estaciones presentan un comportamiento “Muy Bueno” (r > 0.70) y un 51% “Bueno” (0.50


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En función del área, la evaluación indica que los mejores resultados se obtienen en estaciones rurales:

‐ 93% de estaciones “Muy buenas” en términos de Bias (|Bias| 0.70). ‐ 66% de estaciones “Buenas” en términos de RMSE (10 µgm‐3 ≤RMSE


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Otra estación urbana de fondo del núcleo urbano de Madrid con buen comportamiento es la estación de Arturo Soria (Figura 9). Igual que Escuelas Aguirre, la estación presenta un ciclo diario de O3 muy marcado que els sistema CALIOPE es capaz de pronosticar. Es una estación que está clasificada como “Muy buena” en terminos de Bias y r, y “Buena” en términos de RMSE. (Anexo I, pag 323).

El comportamiento del sistema CALIOPE en el núcleo urbano de Barcelona se muestra en la estación de tráfico de Eixample (Figura 10). El sistema CALIOPE reproduce el ciclo diario de O3 en esta estación, con minimos nocturnos bajos (


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Figura 6. Porcentaje de estaciones de O3 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4,

de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.

N = 302

MB

B

A

M

MM

N = 125 MB B

A M MM

N = 92 MB B

A M MM

N = 85 MB B

A M MM

N = 47 MB B

A M MM

N = 59 MB B

A M MM

N = 196 MB B

A M MM

Todas

Urbanas

MB r RMSESuburbanas

Rurales

Tráfcio

Industrial

Fondo

88%

9%

1% 1% 1%

51%35%

10%

3% 1% 0%

46%52%

1% 1%

85%

11% 3% 1% 0%

52%35%

7% 5% 1% 0%

37%

61%

1% 1%

87%

10% 1%0% 2%

52%30%

13%2% 2% 0%

41%57%

0% 2%

93%

6% 1%0%

47%39%

12% 2% 0% 0%

66%33%

1% 0%

77%

21%

2% 0% 0%

49%30%

13%6% 2% 0%

45%55%

0% 0%

90%

3%3%2% 2%

53%39%

3% 3% 2% 0%

41%54%

2% 3%

90%

8% 1% 0% 1%

51%35%

12% 3% 1% 0%

48%50%

1% 1%


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Figura 7. Evaluación del O3 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.

(c)

(b)

(a)


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Figura 8. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de tráfico

Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto

Figura 9. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de fondo

Arturo Soria (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto.


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Figura 10. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico

Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto

Figura 11. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana de

tráfico de Badalona (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013


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Figura 12. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana

industrial de la Cartuja (Sevilla): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto

Figura 13. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana de

Fondo Vic Zona Universitaria (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto


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Figura 14. Series temporales mensuales de O3 de mayo a agosto de 2013 en la estación suburbana de

Fondo Algete (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto

3.2.2 Dióxido de nitrógeno

La evaluación del NO2 en términos estadísticos se resume en la Tabla 7. Cuantitativamente los bias medios se encuentran cercanos a ‐0.7 µgm‐3 y los errores cuadráticos medios ~14 µgm‐3. En general, el sistema CALIOPE tiene tendencia a subestimar las concentraciones de NO2. Por área, las estaciones suburbanas presentan los menores bias (‐0.29 µgm‐3), sin embargo son las estaciones urbanas las que tiene mayor correlación (0.55). Por emisión, las estaciones de fondo presentan los menores bias (‐0.16 µgm‐3), por tipo de emisión los resultados medios son parecidos en las estaciones de fondo y las industriales (~15 µgm‐3). Tabla 7. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de NO2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de


#estaciones OBS MOD Bias r RMSE Todas 358 18.9 18.3 ‐0.65 0.48 13.9

Área Urbana 167 25.8 24.8 ‐1.05 0.55 17.6

Suburbana 108 17.3 17.0 ‐0.29 0.46 13.8 Rural 83 7.3 7.0 ‐0.32 0.37 6.7


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#estaciones OBS MOD Bias r RMSE Emisión

Tráfico 73 31.6 29.9 ‐1.68 0.54 19.4 Industrial 96 15.7 14.8 ‐0.83 0.45 12.3

Fondo 189 15.7 15.5 ‐0.16 0.47 12.7

La evaluación de CALIOPE teniendo en cuenta los criterios de calidad definidos en la Tabla 4 se muestran gráficamente en la Figura 15 en funcion del tipo de estación y se analizan a continuación.


‐ En términos de Bias: el 97% de las estaciones presentan un comportamiento “Muy Bueno”, con un sesgo medio anual de ± 5 µgm‐3 en las concentraciones horarias de NO2.



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Castellón, Valencia y Tarragona el comportamiento está repartido entre “Bueno” y “Aceptable”.

‐ En función del RMSE (Figura 16c) el comportamiendo del sistema CALIOPE es muy heterogéneo. Los núcleos urbanos de Madrid, Barcelona, Sevilla, Valencia, Bilbao presentan un comportamiento “Aceptable”. La mayoría de las áreas industriales presentan un comportamiento principalmente “Bueno” como Huelva, Almería, Castellón, otras, mientras que en las zonas industriales de Algeciras y Tarragona el comportamiento es “Aceptable”.

A continuación, se muestran unos ejemplos de series temporales mensuales observación‐modelo de mayo a agosto extraídas directamente de la web del sistema CALIOPE. La Tabla 8 indica las características de las series temporales seleccionadas.

Una estación urbana de tráfico de la ciudad de Madrid es Escuelas Aguirre (Madrid) (Figura 17). El sistema CALIOPE es capaz de predecir la variabilidad horaria de las concentraciones de NO2 propias de una estación de tráfico con alta actividad. Sin embargo, el sistema subestima algunos picos aislados. También hay que tener en cuenta que son datos no validados. Es una estación que está clasificada como “Muy Buena” en terminos de MB y r, y “Buena” en términos de RMSE. (Anexo I, pag 333).

Una estación representativa del fondo urbano de Madrid con buen comportamiento es la estación Plaza del Carmen (Figura 18). CALIOPE predice la variabilidad horaria y diaria de las concentraciones de NO2 del fondo urbano, aunque hay ciertos picos (2‐3 horas) que son subestimados. Es una estación que está clasificada como “Muy Buena” en terminos de MB y r, y “Buena” en términos de RMSE. (Anexo I, pag 335).

El comportamiento del sistema CALIOPE en el núcleo urbano de Barcelona se muestra en la estación urbana de tráfico de Eixample (Figura 19). El sistema de pronóstico CALIOPE es capaz de reproducir la tendencia general y durante episodios. Sin embargo, hay episodios de subestimación, especialmente en el mes de julio. Es una estación que está clasificada como “Muy buena” en términos de MB, y “Buena” en términos de r, y “Aceptable” en términos de RMSE. (Anexo I, pag 214).

Otro ejemplo de estación de tráfico en el núcleo urbano de Barcelona es la estación de Badalona (Figura 20). El sistema CALIOPE predice la variabilidad horaria y diaria de las concentraciones de NO2. Es una estación que está clasificada como “Muy buena” en términos de Bias y r, y “Aceptable” en términos de RMSE. (Anexo I, pg 211).

Tabla 8. Series temporales de NO2 seleccionadas como ejemplo para el año 2013.

Estación Provincia Tipo Criterios r Criterios Bias

Criterios RMSE Figura #

Arturo Soria Madrid UT MB MB A Figura 17 Plaza del Carmen Madrid UF MB MB B Figura 18

Eixample Barcelona UT B MB M Figura 19 Badalona Barcelona UT MB MB A Figura 20


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Figura 15. Porcentaje de estaciones de NO2 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión (tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.

N = 358

MB

B

A

M

MM

N = 167 MB B

A M MM

N = 108 MB B

A M MM

N = 83 MB B

A M MM

N = 73 MB B

A M MM

N = 96 MB B

A M MM

N = 189 MB B

A M MM

Fondo

MB r RMSETodas

Urbanas

Suburbanas

Rurales

Tráfcio

Industrial

97%

3%0%0%0%

22%

53%

20%

3% 1% 11%

43%42%

4% 0%

98%

2% 0% 0%0%

0%

29%

64%

7% 0%

93%

5%1%

0% 1% 3%

58%36%

1% 2%

98%

2%0%

0%

43%51%

6% 0% 0%

97%

3% 0% 0%

0%0%

18%

67%

15% 0%

97%

2% 1%0% 0%10%

56%

33%

1% 0%

96%

3% 0%0%1% 16%

46%

36%

1% 1%

33%

61%

5% 1% 0%

19%

52%

23%

3% 3%

6%

36%46%

10% 2%

32%

60%

7% 0% 1%

15%

56%

23%

4%2%

23%

48%

24%

4% 1%


Sistema CALIOPE


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Figura 16. Evaluación del NO2 horario en las estaciones RedESP disponible de acuerdo a los criterios de

calidad establecidos: (a) bias medio, (b) coeficiente de correlación y (c) error cuadrático medio.

(c)

(b)

(a)


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Figura 17. Series temporales mensuales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana

Escuelas Aguirre (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto

Figura 18. Series temporales mensuales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana fondo

de Plaza del Carmen (Madrid): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto


Sistema CALIOPE


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Figura 19. Series temporales mensuales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico

Eixample (Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto de 2013

Figura 20. Series temporales de NO2 de mayo a agosto de 2013 en la estación urbana tráfico Badalona

(Barcelona): (a) mayo, (b) junio, (c) julio y (d) agosto Dióxido de azufre


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3.2.3 Dióxido de azufre

La evaluación del SO2 en términos estadísticos se resume en la Tabla 9. Cuantitativamente los bias medios se encuentran ~ ‐3 µgm‐3 y los errores cuadráticos medios ~8 µgm‐3. En general, el sistema CALIOPE tiene tendencia a subestimar las concentraciones de SO2. Por área, las estaciones tienen un comportamiento muy similar en todos los casos, funcionando un poco mejor en las estaciones rurales, básicamente en el bias. Por emisión, las estaciones de tráfico y de fondo presentan un comportamiento similar.

Tabla 9. Estadísticos anuales de CALIOPE 2013 frente a medidas de la RedESP para las concentraciones de SO2 en superficie en base horaria. #estaciones, número de estaciones; OBS, media observada en µg m‐3; MOD, media modelizada en µg m‐3; Bias, bias medio en µg m‐3; r, media de los coeficientes de


#estaciones OBS MOD Bias r RMSE Todas 269 5.3 2.7 ‐2.57 0.12 7.7

Área Urbana 126 5.6 2.9 ‐2.65 0.17 6.7

Suburbana 81 5.5 3.0 ‐2.50 0.08 8.9 Rural 62 4.4 1.9 ‐2.48 0.06 7.9

Emisión Tráfico 47 4.2 2.8 ‐1.41 0.19 5.7

Industrial 86 6.6 3.7 ‐2.87 0.10 10.0 Fondo 136 4.8 2.1 ‐2.78 0.11 6.9

La evaluación de CALIOPE teniendo en cuenta los criterios de calidad definidos en la Tabla 4 se muestran gráficamente en la Figura 21 en funcion del tipo de estación y se analizan a continuación.


‐ En términos de Bias: el 58% de las estaciones presentan un comportamiento “Muy Bueno”, con un sesgo medio anual de ± 3 µgm‐3 en las concentraciones horarias de SO2.



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‐ El 46% de estaciones “Muy Buenas” en términos de RMSE (RMSE


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Tabla 10. Series temporales de SO2 seleccionadas como ejemplo para el año 2012.

Estación Provincia Tipo Criterios r Criterios Bias

Criterios RMSE Figura #

Escuelas Aguirre Madrid UT MB B B Figura 23 Campus Carmen Huelva UI A MB B Figura 24 Algeciras EPS Andalucia UI MB B A Figura 25

El comportamiento del sistema CALIOPE en el área industrial de Huelva se muestra a través de la estación urbana Campus Carmen (Figura 24). La serie temporal presenta un buen comportamiento para el período mostrado, sin embargo hay una recurrente subestimación de los valores mínimos. Es destacable como CALIOPE pronostica bien la sucesión de picos de SO2, aunque las concentraciones suelen estar subestimadas en esos episodios. Es de destacar que durante los meses de mayo y junio los mínimos son mayores que los meses de julio y agosto, aparentemente debido a la calibración del límite de detección del aparato de SO2. Fenómenos de este tipo penalizan el cálculo de r y RMSE. Es una estación que está clasificada como “Muy Buena” en términos de Bias, “Buena” en términos de RMSE y “Mala” en términos de r. (Anexo I, pag 20).

Otro ejemplo del buen comportamiento de sistema CALIOPE se observa en la estación urbana Industrial Algeciras EPS (Figura 25) que además está rodeada de importantes focos industriales y que con la actualización del inventario de emisiones HERMESv2 (Guevara et al. 2013), presenta una importante mejora, la cual está clasificada como “Buena” en términos de Bias y “Muy Buena” en términos de r y “Aceptable en terminos de RMSE. (Anexo I, pag 8).

En la Figura 24 se muestran las estaciones con que miden SO2 en la bahía de Algeciras, se puede apreciar que para el MB, como la mayoría tiene un comportamiento “Muy Bueno” y “Bueno”. Es de resaltar que las estaciones ubicadas a ambos lados de la refinería, presentan un comportamiento “Aceptable”.

Los resultados sobre el pronóstico del SO2 está condicionado por dos razones diferentes: 1) que los valores reales de concentración están por debajo del límite de detección de bastantes equipos de medida instalados; y 2) que la emisión esencialmente de las CC.TT. de carbón, sus patrones de días y horas no se repiten año a año.


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Figura 21. Porcentaje de estaciones de SO2 pertenecientes a cada criterio de calidad propuesto en Tabla 4, de acuerdo a dos clasificaciones de las estaciones: (1) área (urbana, suburbana, rural) y (2) emisión

(tráfico, industrial y fondo). N indica el número total de estaciones en cada categoría.

N = 269

MB

B

A

M

MM

N = 126 MB B

A M MM

N = 81 MB B

A M MM

N = 62 MB B

A M MM

N = 47 MB B

A M MM

N = 86 MB B

A M MM

N = 136 MB B

A M MM

Fondo

MB r RMSETodas

Urbanas

Suburbanas

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EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PRONÓSTICO DE CALIDAD DEL … · 2018. 11. 7. · Earth Sciences Department Departamento de Ciencias de la Tierra Sistema CALIOPE Fecha: 13‐Mayo‐2014