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Universidade de São Paulo
Pós
-
Graduação em Meteorologia
Departamento de Ciências Atmosféricas
–
IAG
–
USP
AVALIAÇÃO DA ACURÁCIA DO MODELO EULERIANO UAM
-
V NA
REPRESENTAÇÃO DO COMPORTAMENTO DOS COMPOSTOS
OXIDANTES FOTOQUÍMICOS NA ATMOSFERA DE SOROCABA
Daniel Constantino Zacharias
Departamento de Ciências Atmosféricas
–
IAG/USP
Orientadora:
Profa. Maria de Fátima Andrade
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Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento
dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Sumário
Pág.
1
/1
SUMÁRIO
RESUMO
................................................................................................
...................
1
I
INTRODUÇÃO
................................................................................................
.I-1
I.1
ÁREA DE ESTUDO
................................................................
.................
I-6
I.1.1
CARACTERÍSTICAS METE
OROLÓGICAS DA REGIÃO
..........
I-6
I.1.2
CARACTERÍSTICAS DO M
EIO AMBIENTE URBANO
DA
REGIÃO
................................................................
...............................
I-
15
I.1.3
OBJETIVOS
................................................................
...............
I-
18
II
MO
DELO FOTOQUÍMICO DE
QUALIDADE DO AR
................................
.....
II
-1
II.1
DESCRIÇÃO DO URBAN A
IRSHED MODEL
................................
.......
II
-2
II.2
DESCRIÇÃO DO MECANIS
MO FOTOQUÍMICO UTIL
IZADO
..............
II
-9
II.3
REGIÃO SIMULADA E DA
DOS DE ENTRADA DO MO
DELO
...........
II
-
16
II.3.1
DESCRIÇÃO DAS GRADES
................................
...................
II
-
16
II.3.2
CONDIÇÕES DE CONTORN
O
................................
................
II
-
18
II.3.3
FORÇANTES METEOROLÓG
ICAS DO MODELO
.................
II
-
20
II.3.4
E
MISSÕES DAS FONTES M
ÓVEIS E ESTACIONÁRIA
S EM
SUPERFÍCIE
................................
................................
.......................
II
-
22
III
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO EVENTO OCORRIDO DURANTE OS
DIAS 05
-
10/09/04
................................................................
...........................
III
-1
III.1
RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE EXT
ERNA
............
III
-2
III.2
RESULTADOS DA SIMULA
ÇÃO PARA A GRADE INT
ERNA
.............
III
-9
IV
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO EVENTO OCORRIDO DURANTE OS
DIAS 16
-
20/10/04
................................................................
..........................
IV
-1
IV.1
RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE EXT
ERNA
...........
IV
-2
IV.2
RESULTADOS DA SIMULA
ÇÃO PARA A GRADE INT
ERNA
............
IV
-8
V
VALIDAÇÃO E ANÁLISES
DOS RESULTADOS
................................
..........
V-1
VI
CONCLUSÕES
................................................................
.............................
VI
-1
VII
BIBLIOGRAFIA
................................................................
.............................
VII
-1
ads:
Avaliaçã
o da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Lista de Tabelas
Pág.
1
/1
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Frota dos municípios de Sorocaba e Votorantim em 2004 (fonte:
IBGE).
................................................................................................
............
I-
15
Tabela 2 – Estimativa das fontes de poluição do ar de Sorocaba e Votorantim em
2003 (fonte: CETESB).
................................................................
.................
I-
16
T
abela 3
–
Taxas de Fotólise utilizadas pelo mecanismo químico Carbon Bond.
.
II
-
5
Tabela 4
–
Espécies químicas representadas no Carbon Bond.
.......................
II
-
12
Tabela 5
–
Reações químicas representadas pelo Carbon Bond.
.....................
II
-
13
Tabela 6 – Estatísticas de acurácia da modelagem para o período de 05-
10/set/2004.
................................................................................................
...
V-3
Tabela 7 – Estatísticas de acurácia da modelagem para o período de 16-
20/ago/2004.
................................................................................................
..
V-4
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Lista de F
iguras
Pág.
1
/4
LISTA DE
FIGURAS
Figura 1 –
Perfil
da variação horária das concentrações de NO, NO
2
e O
3
verificado em estudos anteriores de eventos ocorridos em 2002 (
CETESB,
2004).
................................................................................................
..............
I-3
Figura 2
- Localização do Município de Sorocaba e defin
ição da área de estudo.
I-
7
Figura 3 - Média climatológica do vento em 850hPa para o mês de agosto, em
m/s.
................................................................................................
..................
I-8
Figura 4 -
Média
climatológica do vento em 850hPa para o mês de setembro, em
m/s.
................................................................................................
..................
I-9
Figura 5 - Média do vento de superfície para o período de 16-20/08/2004. em
m/s.
................................................................................................
................
I-
10
Figura 6 – Anomalia da temperatura do ar em superfície para o período de 16-
20/08/2004. em
o
C.
................................
................................
.......................
I-
11
Figura 7 – Anomalia da pressão atmosférica em superfície para o período de 16-
20/08/2004. em hPa.
................................................................
.....................
I-
11
Figura 8 – Anomalia da altura geopotencial em 500hPa para o período de 16-
20/08/2004 em metros.
................................................................
.................
I-
12
Figura 9 - Média do vento de superfície para o período de 05-10/09/2004, em
m/s.
................................................................................................
................
I-
13
Figura 10 - Anomalia da temperatura do ar em superfície para o período de 05-
10/09/2004, em
o
C.
................................
................................
.......................
I-
13
Figura 11 - Anomalia da pressão atmosférica em superfície para o período de 05-
10/09/2004, em hPa.
................................................................
.....................
I-
14
Figura 12 -
Anoma
lia da altura geopotencial em 500hPa para o período de 05-
10/09/2004, em metros.
................................................................
................
I-
14
Figura 13 – Municípios de Sorocaba e Votorantim e localização da estação
automática da CETESB (Fonte: Google Earth – foto superior e CETESB –
foto inferior).
................................................................................................
..
I-
17
Figura 14 - Grade computacional utilizada nas simulações de efeitos de borda
sobre a região do estudo.
............................................................................
II
-
16
Figura 15 - Grade computacional utilizada nas simulações em escala urbana dos
municípios de Sorocaba e Votorantim.
........................................................
II
-
17
Figura 16 – Aninhamento das duas grades utilizadas na simulação de Sorocaba.
................................................................................................
.....................
II
-
18
Figura 17
–
Variação espacial das condições de contorno da grade externa.
..II
-
19
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Lista de F
iguras
Pág.
2
/4
Figura 18 – Razões entre as médias diárias do período e a média diária do ano
de 2004 para NO
X
, HCNM e a razão HCNM/NO
X
em (ppmC/ppm), calculadas
para 05 a 10 de setembro de 2004.
................................
.............................
II
-
23
Figu
ra 19 – Razões entre as médias diárias do período e a média diária do ano
de 2004 para NO
X
, HCNM e a razão HCNM /NO
X
em (ppmC/ppm),
calculadas para 16 a 20 de agosto de 2004.
................................
...............
II
-
24
Figura 20 – Razões horárias das emissões veiculares de NO
X
e HCNM utilizadas
nas simulações.
................................................................
...........................
II
-
24
Figura 21 – Médias horárias das concentrações de ozônio para as estações
automáticas da CETESB em São Paulo (estação do Ibirapuera) e Sorocaba
(em ppm).
................................................................................................
......
III
-2
Figura 22 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da estação de
Sorocaba e calculadas pelo UAM
-V para a grade externa.
.........................
III
-3
Figura 23 – Média horária das concentrações de NO
2
(em ppm) da estação de
Sorocaba e calculadas pelo UAM
-V para a grade externa.
.........................
III
-4
Figura 24 – Média horária das concentrações de O
3
(em ppm) da estação de
Sorocaba e calculadas pelo UAM
-V para a grade externa.
.........................
III
-5
Figura 25 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 05/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
III
-6
Figura 26 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 06/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
III
-6
Figura 27 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 07/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
III
-7
Figura 28 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 08/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
III
-7
Figura 29 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 09/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
III
-8
Figura 30 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 10/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
III
-8
Figura 31 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da estação de
Sorocaba e calculadas pelo UAM
-
V para a grade interna.
..........................
III
-9
Figura 32 – Média horária das concentrações de NO
2
(em ppm) da estação de
Sorocaba e calculadas pelo UAM
-
V utilizando para a grade interna.
........
III
-
10
Figura 33 – Média horária das concentrações de O
3
(em ppm) da estação de
Sorocaba e calculadas pelo UAM
-
V para a grade interna.
........................
III
-
11
Figura 34 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 05/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
III
-
12
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Lista de F
iguras
Pág.
3
/4
Figura 35 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 06/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
III
-
12
Figura 36 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 07/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
III
-
13
Figura 37 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 08/set/2004 às 15h para a
grade
interna
................................................................
...............................
III
-
13
Figura 38 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 09/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
III
-
14
Figura 39 –
Concen
tração de O
3
(em ppm) no dia 10/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
III
-
14
Figura 40 – Médias horárias das concentrações de ozônio para as estações
automáticas da CETESB em São Paulo (Ibirapu
era) e Sorocaba (em ppm).
IV
-
1
Figura 41 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da Estação de
Sorocaba e o resultado do modelo para o mesmo ponto
............................
IV
-3
Figura 42 – Média horária das concentrações de NO
2
(em ppm) da Estação de
Sorocaba e os resultados da simulação com o modelo (NO2_UAM).
.........
IV
-4
Figura 43 – Média horária das concentrações de O
3
(em ppm) da estação de
Sorocaba e calculadas pelo UAM
-
V utilizando a grade externa.
.................
IV
-5
Figura 44 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 16/set/2004 às 12h para
a
grade externa
................................................................................................
IV
-6
Figura 45 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 17/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
IV
-6
Figura 46 –
Con
centração de O
3
(em ppm) no dia 18/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
IV
-7
Figura 47 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 19/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
IV
-7
Figura 48 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 20/set/2004 às 12h para a
grade externa
................................................................................................
IV
-8
Figura 49 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da Estação de
Sorocaba e resultado das simulações com o modelo UAM.
........................
IV-9
Figura 50 – Média horária das concentrações de NO
2
(em ppm) da Estação de
Sorocaba e resultados da simulação com o UAM.
................................
.....
IV
-
10
Figura 51 – Média horária das concentrações de O
3
(em ppm) da Estação de
Sorocaba e resultado da simulação com o UAM.
................................
......
IV
-
11
Figura 52 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 16/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
IV
-
12
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Lista de F
iguras
Pág.
4
/4
Figura 53 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 17/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
IV
-
12
Figura 54 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 18/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
IV
-
13
Figura 55 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 19/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
IV
-
13
Figura 56 – Concentração de O
3
(em ppm) no dia 20/set/2004 às 15h para a
grade interna
................................................................
...............................
IV
-
14
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento do
s Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Resumo
Pág.
1/3
RESUMO
O
crescimento populacional e industrial em todo o estado de São Paulo
resulta em um impacto ambiental contínuo sobre essa área. A cada ano, várias
toneladas de compostos químicos são emitidas na atmosfera, gerando impactos,
à saúde e ao meio ambiente. Em regiões próximas às grandes áreas urbanas as
concentrações dos poluentes atmosféricos são devido não somente às emissões
das fontes locais mas também ao transporte de espécies poluidoras dessas
regiões contaminadas.
Neste trabalho é avaliado o impacto em Soro
caba das emissões e transporte
de ozônio e seus precursores a partir da Região Metropolitana de São Paulo e de
Campinas.
O ozônio é um composto secundário, formado a partir de reações
fotoquímicas que envolvem principalmente os compostos orgânicos voláteis
(COV) e os óxidos de nitrogênio (NOx), esses dois grupos de compostos, têm
como fonte principal a emissão veicular. O mecanismo fotoquímico que envolve a
formação do ozônio é bastante complexo. Estudos confiáveis de formação de
ozônio troposférico em regiões urbanas necessitam de modelos sofisticados que
resolvam a parte fotoquímica considerando as condições atmosféricas locais
O objetivo desse trabalho é analisar a viabilidade da utilização do modelo
UAM
-V, recomendando pela EPA (Environmental Protection Agency –Agência de
Proteção Ambiental Americana) para a descrição da formação de ozônio em
escala urbana, tomando como exemplo a cidade de Sorocaba e o impacto das
emissões de poluentes atmosféricos da Região Metropolitana de São Paulo,
Campinas e Paulínia. Foram realizadas simulações de formação de ozônio para
dois episódios ocorridos em 2004 (16-20/08 e 5-10/09) com ultrapassagem do
padrão primário de qualidade do ar de (160
g/m
3
) e ultrapassagem do padrão de
atenção (200
g/m
3
).
O município de Sorocaba está localizado no estado de São Paulo, cerca de
90 quilômetros a oeste da Região Metropolitana de São Paulo e também a cerca
de 80 quilômetros dos municípios industrializados de Campinas e Paulínia. Em
Sorocaba, nesses últimos seis anos (2000-2005), foram registrados 45 dias com
ultrapassagem do padrão primário (160
g/m
3
) e 8 dias com ultrapassagem do
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento do
s Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Resumo
Pág.
2/3
nível de atenção (200
g/m
3
), sendo agosto, setembro e outubro o trimestre com
as maiores concentrações observadas de ozônio.
Nesse estudo foram utilizadas duas grades aninhadas, uma em escala maior
para simular os efeitos de transporte de poluentes de São Paulo, Campinas e
Paulínia para Sorocaba e uma outra, menor sobre Sorocaba e Votorantim, para
simular a formação de ozônio em escala urbana.
O modelo utilizado nesse estudo apresentou muitas características positivas,
sendo a descrição das condições de fronteira no UAM uma das principais, pois
permitiu que estruturas complexas como a RMSP, fossem descritas a partir das
concentrações das medidas ambientais na borda da grade.
Embora com perda de acurácia, o modelo se mostrou capaz de reproduzir
eventos altamente complexos, como os utilizados nesse estudo, ou seja, eventos
longos e extremamente intensos, com vários dias de muita formação de ozônio.
No evento de setembro fica evidente a contribuição de São Paulo para a
form
ação do ozônio troposférico em Sorocaba, ao passo que o evento de agosto
mostra que Sorocaba possui um potencial significativo para formação de ozônio,
pois mesmo em eventos que não possuem a contribuição de São Paulo, ocorre a
formação e acúmulo de ozônio troposférico. Essas simulações mostraram a
importância da descrição da circulação atmosférica para a formação do ozônio e
na ocorrência de violações de padrões de qualidade do ar.
ABSTRACT
The consequence of increased population growth, coupled with ind
ustrial
growth in the whole of the state of São Paulo, has had a constant envirormental
effect on the area. Several tons of chemical waste are
emitted
into the atmosphere
every year, creating formidable influences on everything from health to
environment
.
The formation of the ozone is quite complex. It is a secondary composition,
formed by the photochemical reactions that mainly involve volatile, organic
compost (COV) and nitrogen oxide (NOx). Both of these chemical groups are
issued predominantly from motor vehicles. Reliable studies concerning the
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento do
s Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Resumo
Pág.
3/3
formation of the tropospheric ozone in urban areas need sophisticated models
which can determine the photochemical segment based on the local atmospheric
conditions.
The object of this project is to analyze the plausibility of using model UAM-
V,
which is recommended by the EPA as a standard description for the makeup of
the ozone in urban areas, using as an example the city of Sorocaba and the
surrounding areas. There were two simulations of the formulation of the ozone
made in 2004 (Aug. 16-20 and Sept. 5-10) registering higher than the minimum
standard (160
g/m3) and also high alert (200
g/m3).
The city of Sorocaba is situated roughly 90 kilometers to the west of the
greater metropolitan area of São Paulo and also about 80 kilometers from the
industrial zones of the cities of Campinas and Paulinia. In the last six years (2000
– 2005) Sorocaba has registered 45 days of higher than minimum standard (160
g/m3) and 8 days of high alert (200 g/m3); August, September and October
being the months with the highest concentration.
Two nested grids were used in this project; one on a large scale to simulate
the effects of transport pollutants from São Paulo, Campinas and Paulinia on
Sorocaba and the other on a smaller scale to simulate the composition of the
ozone on urban areas such as the cities of Sorocaba and Volorantim.
There were many positive points presented by the model used in this project,
a description of the boundary conditions of the UAM being one of the preeminent
ones. It allows complex structures such as RSMP to be represented on the border
of the gri
d by using concentrations of envirormental
measurements
.
Although there is a slight loss of accuracy, the model is capable of
reproducing very complex events like those used in this study, or even very
extensive and prolonged occurrences including several days of ozone
development.
The month of September in question shows an obvious influence on the
development of the tropospheric ozone in Sorocaba. The August in question
shows that Sorocaba, itself, has considerable potential for the formation of the
ozone
because even in occurrences that are not influenced by São Paulo, there
are formations and accumulations in the tropospheric ozone.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-1
/18
I
INTRODUÇÃO
O crescimento populacional e industrial em todo o estado de São Paulo
resulta em um impacto ambiental contínuo sobre essa área. A grande quantidade
de veículos e de processos industriais emite a cada ano, várias toneladas de
compostos químicos reativos na atmosfera, que geram impactos, diretos e
indiretos, à saúde e ao meio ambiente. Dessa forma, é crescente a preo
cupação
em se conhecer os processos que afetam as regiões metropolitanas e as grandes
cidades do estado, assim como as melhores ferramentas para se abordar esse
tipo de questão.
Os poluentes atmosféricos podem ser definidos como: qualquer substância
presen
te no ar que pela sua concentração possa torná-lo impróprio, nocivo ou
ofensivo à saúde, inconveniente ao bem-estar público, danoso aos materiais, à
fauna e à flora ou prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade e às
atividades normais da comunid
ade (Seinfeld, 1975; CETESB, 1990
).
Os poluentes, com relação à sua origem, podem ser classificados
basicamente como primários (emitidos diretamente das fontes) ou secundários
(formados na atmosfera devido às reações químicas dos compostos ali
presentes).
Em uma atmosfera urbana, existem vários desses poluentes em
concentrações diferentes, reagindo entre si e formando outros compostos,
aumentando assim o número de espécies presentes no ar.
Atualmente, um dos compostos mais estudados é o ozônio, devido ao f
ato
de ser bastante agressivo à saúde humana, às plantas e aos animais
em
concentrações acima do padrão de qualidade do ar, e também, por conta da
complexidade que envolve a representação da sua formação fotoquímica na
atmosfera.
Além disso, o ozônio na região da troposfera absorve a radiação
terrestre emergente, contribuindo para o efeito estufa (Colbeck e Mackenzie,
1994).
O ozônio é um composto secundário, formado a partir de reações
fotoquímicas que envolvem principalmente os compostos orgânicos volátei
s
(COV) e os óxidos de nitrogênio (NOx
),
sendo que esses dois grupos de
compostos, tem como fonte principal a emissão veicular. Segundo a CETESB,
cerca de 90% dos poluentes precursores do ozônio são emitidos pelos veículos
(
CETESB, 2003).
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-2
/18
Os principais fatores que determinam as concentrações do ozônio em áreas
metropolitanas e proximidades podem ser considerados como sendo:
- A distribuição espacial e temporal das fontes de emissão de NO
X
e
compostos orgânicos voláteis (de origem biogênica e antropogênica);
- A
razão COV/ NO
X
emitidos;
-
A composição química dos COVs emitidos;
-
A variação espacial e temporal dos campos meteorológicos;
-
Reações químicas envolvendo COV, NO
X
e outras espécies importantes.
- As variações diurnas de radiação solar incidente sobre a baixa t
roposfera e
a temperatura do ar;
-
A remoção do ozônio e de seus precursores por deposição seca e úmida;
-
A concentração de fundo de COV e NO
X
na região de estudo;
-
A advecção do ozônio e de seus precursores de outras regiões.
O mecanismo fotoquímico que envolve a formação do ozônio é bastante
complexo, pois além de
descrever
muitas reações, existe a dificuldade de se
quantificar os diferentes compostos
orgânicos
emitidos e os radicais presentes na
atmosfera. Além disso, todo esse processo é altamente dependente das
condições meteorológicas locais, presentes durante as reações fotoquímicas.
Devido a esses fatores, para estudos confiáveis de formação de ozônio
troposférico em regiões urbanas, são necessários modelos matemáticos
sofisticados que resolvam toda ess
a parte fotoquímica considerando as condições
atmosféricas locais.
Um padrão de qualidade do ar define legalmente o limite máximo para a
concentração de um componente atmosférico que garante a proteção da saúde e
do bem estar das pessoas. Os padrões de qualidade do ar são baseados em
estudos científicos dos efeitos produzidos por poluentes específicos e são fixados
em níveis que possam propiciar uma margem de segurança adequada. Em
relação aos critérios para episódios agudos, o padrão primário (máximo horár
io
)
nacional para ozônio, estabelecido pelo CONAMA é de 160
g/m
3
e o nível de
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-3
/18
atenção definido pelo CONAMA é de 400
g/m
3
para máximo valor horário. No
Estado de São Paulo, a legislação estadual é mais restritiva para o ozônio,
estabelecendo o nível de at
enção em 200
g/m
3
em 1 hora (CETESB, 2004).
Estudos anteriores mostram que durante episódios de formação de ozônio, o
comportamento médio das concentrações de NO, NO
2
e O
3
em Sorocaba é muito
semelhante ao comportamento típico encontrado na literatura, ou
seja, há um pico
de NO às 8 horas da manhã, provavelmente devido ao tráfego de veículos; por
volta das 9 horas há um ligeiro aumento de NO
2
, que decresce logo em seguida
com o início do aumento de concentração de O
3
que atinge um máximo às 15
horas. A concentração de NO atinge valores muito baixos no período de
concentrações mais
altas de ozônio (CETESB
, 2004).
A
Figura 1 apresenta a média horária das concentrações de NO, NO
2
e O
3
,
para eventos de formação de ozônio troposférico em Sorocaba durante o ano
de
2002, a partir de medidas da estação automática de monitoramento de poluentes
em Sorocaba da CETESB.
Figura
1 – Perfil da variação horária das concentrações de NO, NO
2
e O
3
(em ppb) verificado em
estudos anteriores de eventos
ocorridos em 2002 (
CETESB, 2004).
O objetivo desse trabalho é analisar a viabilidade da utilização do modelo
UAM
-V, recomendando pela EPA para a descrição da formação de ozônio em
escala urbana, tomando como exemplo a cidade de Sorocaba e adjacências.
For
am realizadas simulações de formação de ozônio em escala urbana, para a
região de Sorocaba, em dois episódios ocorridos em 2004 (16-20/08 e 5-
10/09)
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-4
/18
com ultrapassagem do padrão primário de qualidade do ar de (160
g/m
3
) e
ultrapassagem do padrão de atenção (200
g/m
3
), segundo a Legislação
Estadual. Os resultados das simulações com o UAM-V foram comparados com as
medidas ambientais da estação automática de monitoramento de poluentes da
CETESB em Sorocaba.
Através da portaria normativa n.
o
348 de 14/03/90 o IBAMA estabeleceu os
padrões nacionais de qualidade do ar e os respectivos métodos de referência,
ampliando o número de parâmetros anteriormente regulamentados pela portaria
GM 0231 de 27/04/76. Essa portaria foi, posteriormente, submetida ao CONAMA
e transformada na resolução CONAMA n.
o
03/90. Nesta resolução são
estabelecidos dois tipos de padrão da qualidade do ar, os padrões primários e os
secundários.
Os padrões primários de qualidade do ar são definidos como as
concentrações de poluentes que,
se
ultr
apassadas poderão afetar a saúde da
população. Podem ser entendidos como níveis máximos toleráveis de
concentração poluentes atmosféricos, constituindo-se em metas de curto e médio
prazo.
Os padrões secundários de qualidade do ar são definidos como as
conc
entrações de poluentes atmosféricos abaixo dos quais se prevê o mínimo
efeito adverso sobre o bem estar da população, assim como o mínimo dano à
fauna e à flora, aos materiais e ao meio ambiente em geral. Podem ser
entendidos como níveis desejados de concentração de poluentes, constituindo-
se
em metas de longo prazo.
A Legislação Estadual (DE 8468 de 08/09/76) também estabelece padrões e
critérios para episódios agudos de poluição do ar, mas abrange um número
menor de parâmetros. Os parâmetros comuns às legislações federal e estadual
possuem os mesmos padrões e critérios, com exceção dos critérios de episódio
para ozônio. Nesse caso a Legislação Estadual é mais rigorosa para o nível de
atenção (200
g/m
3
).
A cidade de Sorocaba é uma escolha adequada para realizar um estudo de
formação de ozônio troposférico considerando o impacto do transporte de fontes
remotas devido à sua localização (a oeste da RMSP). Isso é feito através de uma
boa representação das fontes remotas localizadas na fronteira da grade. Outro
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-5
/18
ponto importante é a existência de uma estação da CETESB de monitoramento
da qualidade do ar nessa cidade.
Embora esse seja o primeiro estudo com o UAM-V em São Paulo, os
estudos de formação do ozônio troposférico na RMSP foram iniciados no
Departamento de Ciências Atmosféricas em 1994, utilizando o modelo CIT
desenvolvido no California Institute of Technology – Caltech e Carnegie Mellon
University (McRae, 1982 e 19
9
2).
A partir dos dados de experimentos meteorológicos, em especial o EMIII
(Experimento Meteorológico III) ocorridos em 1989, foram realizados os primeiros
estudos utilizando o modelo CIT (Andrade et al., 1996 e Cardoso, 1998). O nível
do detalhamento desses experimentos meteorológicos permitiu que se
realizassem estudos focados nos processos fotoquímicos atmosféricos.
Cardoso (1998) estudou o impacto da inclusão das fontes de poluentes de
Cubatão nas simulações da RMSP e também o papel das condições iniciais e de
fronteira para a repr
esentação da formação de ozônio.
Ynoue (1999) utilizou dados de campos meteorológicos prognósticos
extraídos do modelo de mesoscala RAMS como input meteorológico no CIT e
avaliou sua eficiência com relação ao uso de modelos diagnósticos.
Martins (2002) avaliou o impacto da inclusão das emissões biogênicas de
COV na formação do ozônio na RMSP, Borges (2003) avaliou o impacto de
aumento da resolução espacial (de 5x5 km para 3x3km) do modelo CIT na
representação das concentrações de ozônio e Ynoue (2004) introduziu um
módulo de descrição de formação e crescimento de aerossóis secundários no
modelo CIT.
Vários artigos têm sido publicados relacionados ao entendimento da
formação do ozônio e sua descrição com modelo de qualidade do ar na Região
Metropolitana de São Paulo: Ulke e Andrade (2001) estudaram a parametrização
da turbulência no modelo CIT, Andrade et al. (2004) estudaram o inventário das
emissões de NOx na RMSP; Freitas et al. (2005) avaliaram a inclusão de um
módulo químico simplificado no modelo meteorológico RAMS, Sanchez-Ccoyllo et
al. (2005) avaliaram o impacto do PROCONVE (Programa Controle de Veículos
Automotores) para a formação dos oxidantes fotoquímicos. Vivanco e Andrade
(2006) verifi
caram o inventário oficial d
os precursores do ozônio.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-6
/18
I.1
ÁREA D
E ESTUDO
O município de Sorocaba está localizado no estado de São Paulo, cerca de
90 quilômetros a oeste da Região Metropolitana de São Paulo, e também a cerca
de 80 quilômetros dos municípios industrializados de Campinas e Paulínia (Figura
2).
Sorocaba possui uma população de aproximadamente 500 mil habitantes e
uma área de 443km
2
. Devido a sua localização de fácil acesso, essa região conta
atualmente com cerca de 1400 estabelecimentos industriais, sendo 150 destes,
de médio e grande porte (CETESB, 200
6
).
Desde o ano 2000 o município de Sorocaba possui uma estação de
superfície da CETESB que registra, dentre outras variáveis: NO, NO
2
, O
3
, vento e
temperatura. Nesses últimos seis anos (2000-2005) foram registrados 45 dias
com ultrapassagem do padrão primário (160
g/m
3
) e 8 dias com ultrapassagem
do nível de atenção (200
g/m
3
), sendo agosto, setembro e outubro o trimestre
com as maiores concentrações observadas de ozônio.
I.1.1
Características Meteorológicas da Região
O município de Sorocaba situa-se em uma região cujo relevo pode ser
caracterizado como levemente ondulado a ondulado, com altitude média de
600m, sendo que o seu ponto mais alto chega a 1028m. No verão, a média das
temperaturas máximas fica em torno de 30º C e no inverno a média das
temperaturas mínimas fica em torno de 12º C. A precipitação média anual é de
1350 mm e cerca de 80% dessa precipitação ocorre nos meses de outubro a
março. A umidade relativa do ar chega a atingir 15% nos meses secos,
principalmente setembro (CETESB, 2006).
Nas Figuras 3 e 4 são apresentados os padrões mensais do comportamento
da circulação atmosférica em baixos níveis (850hPa) para os meses de agosto e
setembro obtid
os
através da média climatológica (40 anos) do período de 1965 à
2005 das reanálises do modelo de circulação geral do NCEP, extraídas do site
http://www.cdc.noaa.gov.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-7
/18
Figura
2 -
Localização do Município de Sorocaba e definição da área de estudo.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-8
/18
Analisando o padrão climatológico da circulação atmosférica de larga escala
em baixos níveis (850hPa) que atua sobre a região sudeste do Brasil verifica-
se
uma forte influência da Alta Subtropical do Atlântico Sul nas condições locais
durante os meses de agosto (
Figura 3
) e setembro (
Figura 4
).
Figura
3 - Média climatológica do vento em 850hPa para o mês de agosto, (vetores indicam a
direção do vento e a escala de cores a intensidade
em m/s
).
A variabilidade sazonal do padrão climatológico de ventos na região sudeste
deve
-se, basicamente, ao deslocamento sazonal da Alta Subtropical do Atlântico
Sul, caracterizada pelo predomínio de ventos de nordeste no verão e ventos de
leste no inverno. O padrão climatológico do vento para o mês de agosto (em
850hPa) é de E/ENE e com pouca intensidade (média mensal inferior a 3 m/s).
Para o mês de setembro o padrão climatológico é NE/NNE e com pouca
intensidade (média mensal inferior a 2,5 m/s).
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-9
/18
Figura
4 - Média climatológica do vento em 850hPa para o mês de setembro,
(vetore
s indicam a
direção do vento e a escala de cores a intensidade
em m/s
).
Na região sudeste, nos meses de agosto e setembro, alterações no padrão
médio mensal de vento ocorrem, basicamente, devido à passagem de sistemas
frontais. Os sistemas frontais atuam durante o ano todo sobre o Brasil com
freqüências maiores nas latitudes mais altas e menores nas latitudes mais baixas
(Oliveira, 1986). De acordo com o Boletim de Monitoramento e Análise Climática
(Climanálise, 1996), que apresentou uma estatística de sistemas frontais que
atuaram no litoral do Brasil entre os anos de 1975 a 1984 e 1987 a 1995, a média
ficou entre 4 e 7 sistemas mensais atuando sobre a costa do sudeste brasileiro,
com valores máximos nos meses de inverno e valores mínimos nos meses de
verão
.
Os sistemas frontais são extremamente eficientes na dispersão dos
poluentes. Os eventos de altas concentrações de poluentes ocorrem, na maioria
das vezes, nos períodos entre as passagens dos sistemas frontais, quando,
geralmente, há predomínio da influência, direta ou indireta, de um sistema de alta
pressão.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-
10
/18
No evento de agosto, a presença de uma anomalia de alta pressão em
superfície próxima ao Sul e ao Sudeste do Brasil (Figura 7), verificada também no
campo da altura geopotencial de 500hPa (Figura 8), criou uma condição de vento
de leste em superfície persistente durante a maior parte do período (Figura 5) e
uma anomalia positiva da temperatura sobre a região de estudo (Figura 6).
Figura
5 -
Média do vento de superfície para o
período de 16
-
20/08/2004. em m/s.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-
11
/18
Figura
6 –
Anomalia da temperatura do ar em superfície para o período de 16
-
20/08/2004. em
o
C.
Figura
7 – Anomalia da pressão atmosférica em superfície para o período de 16-20/08/2004. em
hPa.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-
12
/18
Figura
8 – Anomalia da altura geopotencial em 500hPa para o período de 16-20/08/2004 em
metros.
No evento de setembro, a presença de uma anomalia de baixa pressão em
superfície sobre o continente, de baixa intensidade (Figura 11), se contrapondo a
anomalia positiva verificada no campo da altura geopotencial de 500hPa (Figura
12), não alterou significativamente a condição de vento de leste em superfície
persistente durante a maior parte desse período (Figura 9) e nem reverteu a
anomalia positiva da temperatura sobre a região de estudo (Figura 10).
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-
13
/18
Figura
9 -
Média do vento de superfície para o período de 05
-
10/09/2004, em m/s.
Figura
10
-
Anomalia da tem
peratura do ar em superfície para o período de 05
-
10/09/2004, em
o
C.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
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I-
14
/18
Figura
11
- Anomalia da pressão atmosférica em superfície para o período de 05-10/09/2004, em
hPa.
Figura
12
- Anomalia da altura geopotencial em 500hPa para o período de 05-10/09/2004, em
metros.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
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I-
15
/18
I.1.2
Características do Meio Ambiente Urbano da Região
Os municípios de Sorocaba e Votorantim possuem suas áreas urbanas
conurbadas (não possuem áreas não-urbanas as separando), por conta disso,
esse trabalho e
todas
as suas estatísticas se referem aos municípios de Sorocaba
e Votorantim.
A frota veicular dos municípios de Sorocaba e Votorantim é composta
basicamente por automóveis e motocicletas (Tabela 1), sendo que a proporção de
motocicletas
para cada carro é relativamente alta (em torno de 20% em Sorocaba
e 25% em Votorantim) se comparadas com cidades maiores do estado (São
Paulo tem cerca de 10% e Campinas 12%)
–
Fonte: IBGE
.
Tabela
1 –
Frota dos municípios de Soroca
ba e Votorantim em 2004 (fonte: IBGE).
TIPO DO VEÍCULO
NÚMERO DE VEÍCULOS (Sorocaba + Votorantim)
Automóvel
141891 + 18978
Caminhão
5603 + 868
Caminhão
-
Trator
666 + 135
Caminhonete
5399 + 416
Micro
-
Ônibus
820 + 162
Motocicletas
28086 + 4509
Motoneta
s
2975 + 411
Ônibus
995 + 37
Trator de Rodas
106 + 10
Com base em dados da CET para São Paulo para o ano de 2002
considerou
-se que 76,3% dos veículos leves utilizam como combustível uma
mistura de aproximadamente 78-
80%
de gasolina e 20-22% de etanol e
17,2%
dos veículos leves utilizam uma mistura de etanol hidratado (95% de etanol + 5%
de água); foi considerado como sendo insignificante a contribuição dos veículos
leves movidos a GNV (Gás Natural Veicular). No caso dos veículos pesados, foi
considerado que a totalidade desses veículos utiliza óleo diesel como
combustível. Esses dados foram considerados como sendo aplicáveis aos
municípios de Sorocaba e Votorantim.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-
16
/18
Os dados de emissão anual utilizados nesse estudo foram baseados no
inventário de emissões constante no relatório de qualidade do ar no estado de
São Paulo, referente ao ano de 2003 (Tabela 2).
Tabela
2 – Estimativa das fontes de poluição do ar de Sorocaba e Votorantim em 2003 (fonte:
CETESB).
FONTE DE EMISSÃO
EMISSÃO (
1000 ton/ano)
TIPO
COMBUSTÍVEL
CO
HC
NO
X
SO
X
MP
Gasolina
22,61
2,32
1,29
0,22
0,15
Álcool
6,83
0,74
0,41
-- --
Diesel
14,69
2,39
10,73
0,73
0,67
TUBO DE
ESCAPAMENTO
DE VEÍCULOS
Motocicleta
14,44
1,91
0,07
0,03
0,04
Gasolina
--
3,69
-- -- --
Álcool
--
0,53
-- -- --
CÁRTER
E
EVAPORATIVA
Motocicleta
--
1,03
-- -- --
PNEUS
Todos os tipos
--
--
-- --
0,27
Gasolina
--
0,37
-- -- --
TRANSFERÊNCIA
DE COMBUSTÍVEL
Álcool
--
0,02
-- -- --
PROCESSOS INDUSTRIAIS
2,24
0,74
6,51
5,19
3,45
Foram utilizados nesse estudo dados de concentração dos poluentes NO,
NO
2
e O
3
da estação automática da CETESB, localizada na Escola Estadual
“Monsenhor João Soares” na Rua Nhonhô Pires, 260 – Bairro Santa Terezinha –
Sorocaba, coordenadas UTM 23K 0246863 7398684 (Fig
ura
13
).
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-
17
/18
Figura
13
– Municípios de Sorocaba e Votorantim e localização da estação automática da
CETESB (Fonte: Google Earth
–
foto superior e CETESB
–
foto inferior).
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Introdução
I
Pág.
I-
18
/18
I.1.3
Objetivos
O objetivo desse trabalho é analisar o impacto da contribuição do transporte
de
longa distância do ozônio e seus precursores na qualidade do ar de uma área
urbana impactada por fontes locais de poluentes, tomando como exemplo a
cidade de Sorocaba e adjacências.
A
ferramenta de trabalho
utiliz
ada
foi
o modelo
UAM
-V, recomendando pela EPA para a descrição da formação de ozônio em
escala urbana.
Pode
-se destacar como produtos complementares do trabalho: a instalação
do modelo UAM-V no Departamento de Ciências Atmosféricas, o
desenvolvimento de me
todologias para o tratamento do impacto das condições de
fronteira em modelos de qualidade de ar, e o tratamento da variação temporal das
emissões de poluentes.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-1
/24
II
MODELO FOTOQUÍMICO D
E QUALIDADE DO AR
Nesse estudo foi utilizado o modelo de escala urbana
Ur
ban Airshed Model
(UAM), originalmente desenvolvido pela Systems Applications International (SAI),
que iniciou esse projeto no começo da década de 70 e através de co
ntínuo
desenvolvimento chegou na versão utilizada atualmente do
Variable
-Grid Urban
Airshed
Model (UAM-V 1.31). O UAM tem sido bastante utilizado ao longo dos
últimos 30 anos para a investigação das questões envolvendo o ozônio e a
qualidade do ar, principalmente nos Estados Unidos, tanto com finalidades
científicas quanto regulatórias.
Desde 1969, quando o programa UAM foi concebido pela primeira vez, o
contínuo desenvolvimento do modelo foi levando-o até as versões atuais. A fase
inicial do desenvolvimento do modelo foi de 1969 até 1973 com a avaliação
positiva da EPA (Environmental Protection Agency). O desenvolvimento e a
validação do modelo estão descritos em uma série de trabalhos (Liu et al., 1976;
Reynolds et al., 1976; Lamb, 1976; Jerskey and Seinfeld, 1975; Killus et al., 1984;
Lamb et al., 1984; Jerskey et al., 1984).
Embora a versão de 1990 do UAM fosse largamente utilizada em muitos
lugares do mundo, a estrutura do software ainda era baseada na arquitetura da
década de 1970-80. Devido a isso, em 1989-1991, a SAI (Systems Applications
International
) empreendeu esforços e reestruturou o modelo. O resultado dessa
empreitada foi que o UAM-V adquiriu novas características, dentre elas, podemos
citar como mais relevantes para o trabalho (SAI,1999):
- Estrutura de grade vertical: Pode ser definida arbitrariamente pelo usuário,
possibilitando assim uma alta resolução nas camadas próximas à superfície e
um melhor ajuste dos campos dos modelos meteorológicos, já que
muitos
utilizam o sistema de coo
rdenadas acompanhando o terreno;
- Arquivos de entrada tridimensionais: Todas as variáveis meteorológica
s
variam espacial
e temporalmente em toda a grade;
- Algoritmo de deposição seca: O algoritmo de deposição seca implementado,
formulado por Wesely (1989), é similar ao utilizado no Modelo Regional de
Deposição de Ácidos (Regional Acid Depos
ition Model
–
RAD
M) , SAI, 1999;
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-2
/24
- Balanço real de massa: As concentrações dos poluentes sofrem advecção e
difusão em unidade de massa por volume (
mol/m
3
) ao invés de unidade
volumétrica (ppm), m
antendo o balanço real de massa;
- Novo algoritmo de ascensão da pluma: Foi implantado novo algoritmo de
ascensão da pluma fotoquímica baseando-se no modelo Gaussiano de
dispersão TUPOS (Turner et al., 1986
);
-
Mecanismo Químico CB
-
IV
-
TOX:
O Carbon Bond é o módulo responsável pela
resolução da fotoquímica do modelo que envolve a formação do ozônio. Existe
uma opção para resolver a parte química em fase aquosa (dentro de nuvens).
As versões recentes possuem um mecanismo químico mais detalhado no
tratamento do acetaldeído.
II.1
DESCRIÇÃO DO URBAN A
IRSHED MODEL
O UAM-V é um modelo fotoquímico de grade tridimensional designado para
calcular as concentrações de poluentes inertes e de poluentes quimicamente
reativos, pela simulação de processos físicos e químicos que afetam as
concentrações dos poluentes na atmosfera. A base do modelo é a equação de
difusão atmosférica e a equação da continuidade (SAI,1999).
O modelo é basicamente constituído por quatro componentes: um modelo de
transporte euleriano, um modelo fotoquímico lagrangiano (Carbon Bond – IV), um
modelo gaussiano de dispersão da pluma de poluentes (TUPOS) e um modelo
simplificado de radiação atmosférica.
A equação da continuidade é resolvida dentro do modelo através de passos,
onde termos individuais são resolvidos separadamente e na seguinte ordem: a
emissão é injetada no domínio; a advecção/difusão horizontal é resolvida; a
advecção/difusão vertical e a deposição são resolvidas; e as transformações
químicas são calculadas para os poluentes reativos. O UAM-V calcula esses 4
passos dentro de cada intervalo advectivo. Esse intervalo advectivo é calculado
internamente no modelo, sendo função do comprimento das células da grade e da
velocidade máxima do vento, ou do coeficiente horizontal de difusividade. Um
valor típico do intervalo de tempo advectivo para uma grade de 10-20 km é de 10-
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-3
/24
15 minutos e para grade mais fina (1-2 km) é da ordem de poucos minutos
(SAI,1999).
A equação da difusividade representa o balanço de massa entre as
emissões, transporte, difusão, reações químicas e os processos de remoção.
Matematicamente (SAI,1999):
z
c
K
zy
c
K
yx
c
K
xz
wc
y
vc
x
uc
t
c
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V
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i
=
concentração do poluente
i
, uma função de (x,y,z,t)
u, v, w
=
componentes horizontais e verticais do vento
K
X
, K
Y
=
coeficiente horizontal de difusão turbulenta
K
V
=
coeficiente vertical de troca turbulenta
R
i
=
Taxa de produção do poluente
i
, devido às reações químicas
S
i
=
Taxa de emissão do poluente
i
D
i
= Taxa de
remoção
do poluente i devido a processos absorção pela
superfície
W
i
= Taxa de remoção do poluente i devido a processos de deposição
úmida
O modelo emprega a técnica numérica de diferenças finitas para resolver a
equação de advecção/difusão.
O modelo de radiação atmosférica calcula a partir da coordenadas do ponto
inicial da grade e da data, as taxas de fotólise necessárias para a decomposição
do
NO
2
, O
3
, FORM, ACET, ALDX e ISPD (respectivamente: dióxido de nitrogênio,
ozônio, formaldeído, acetaldeído, aldeídos de alto peso molecular e resíduos
orgânicos resultantes da reação do isopreno). No total, o modelo Carbon Bond
utiliza sete taxas de fotólises, para dez diferentes ângulos zenitais (0
o
, 10
o
, 20
o
,
30
o
, 40
o
, 50
o
, 60
o
, 70
o
, 78
o
e 86
o
).
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-4
/24
As taxas de fotólise são calculadas a partir da seguinte equação integral:
max
min
)()()( dI
Jn
nnn
onde:
Jn
=
Taxa de Fotólise
I
n
( ) =
Fluxo Actínico
n
( ) = S
eção de choque de absorção da espécie
n
( ) =
Rendimento Quântico
O Fluxo Actínico varia no espaço e no tempo. O UAM-V possui um módulo
que calcula esse fluxo, sendo função das seguintes variáveis:
- Fluxo Solar Extraterrestre: Uma parametrização da radiação solar
incidente sobre o topo da atmosfera.
- Albedo UV de Superfície: A fração da radiação UV incidente na
superfície que foi refletida novamente para o espaço (depende do uso do
solo).
-
Turbidez:
Extinção óptica devido ao espalhamento e absorção da
radiaç
ão pelo aerossol atmosférico.
- Densidade total da coluna de O
3
acima da região do domínio: Essa
variável é dependente da latitude e da época do ano, e sua unidade deve estar
em Dobson.
A partir da equação da taxa de fotólise é montada a tabela 3, com os val
ores
utilizados de fato pelo modelo.
A taxa de fotólise é corrigida dentro do modelo quando a fração da cobertura
de nuvens é maior do que 70%. Os fatores de correção utilizados pelo modelo
são, para 70%, 80%, 90% e 100%, respectivamente, 0,72; 0,68; 0,64;
0,59.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-5
/24
Tabela
3 –
Taxas de Fotólise utilizadas pelo
mecanismo químico Carbon Bond
.
Taxa de Fotólise (min
-1
)
Ângulo
Zenital
J
NO2
J
O1D
J
HCHOr
J
HCHOs
J
ACETr
J
Acrolein
J
ALDX
0
o
5,
699x10
-1
2,
595 x10
-3
2,
129 x10
-3
2,
848 x10
-3
3,
909
x10
-4
1,
117 x10
-4
1,
346 x10
-3
10º
5,
654 x10
-1
2,
507 x10
-3
2,
097 x10
-3
2,
816 x10
-3
3,
820 x10
-4
1,
106 x10
-4
1,
319 x10
-3
20º
5,
516 x10
-1
2,
252 x10
-3
1,
999 x10
-3
2,
721 x10
-3
3,
558 x10
-4
1,
072 x10
-4
1,
239 x10
-3
30º
5,
276 x10
-1
1,
860 x10
-3
1,
834 x10
-3
2,
556 x
10
-3
3,
136 x10
-4
1,
014 x10
-4
1,
109 x10
-3
40º
4,
913 x10
-1
1,
380 x10
-3
1,
601 x10
-3
2,
314 x10
-3
2,
575 x10
-4
9,
276 x10
-5
9,
324 x10
-4
50º
4,
393 x10
-1
8,
798 x10
-4
1,
299 x10
-3
1,
981 x10
-3
1,
912 x10
-4
8,
070 x10
-5
7,
184 x10
-4
60º
3,
654 x10
-1
4,
418 x10
-4
9,
335 x1
0
-4
1,
540 x10
-3
1,
211 x10
-4
6,
432 x10
-5
4,
813 x10
-4
70º
2,
597 x10
-1
1,
477 x10
-4
5,
278 x10
-4
9,
798 x10
-4
5,
711 x10
-5
4,
262 x10
-5
2,
480 x10
-4
78º
1,
476 x10
-1
3,
856 x10
-5
2,
248 x10
-4
4,
806 x10
-4
2,
010 x10
-5
2,
209 x10
-5
9,
675 x10
-5
86º
4,
393x10
-2
4,
694 x10
-6
3,
916 x10
-5
1,
062 x10
-4
2,
806 x10
-6
5,
541 x10
-6
1,
546 x10
-5
Dentro do Carbon Bond, as taxas de fotólise são utilizadas para o cálculo
das seguintes equações:
NO
2
NO + O
O
3
O1D
FORM
2 HO
2
+ CO
FORM
CO
ACET
FORM + 2 HO
2
+ CO + XO
2
ALD
X
ACET + 2 HO
2
+ CO + XO
2
–
PAR
ISPD
0.333 CO + 0.067 ACET + 0.90 FORM
+ 0.832 PAR + 1.033 HO
2
+ 0.70 XO
2
+ 0.967 C
2
O
3
+ 0.7 CXO
3
Sendo:
FORM = Formaldeído
ACET = Acetaldeído
ALDX = Aldeídos de alto peso molecular (R > C
2
)
PAR = Pa
rafinas (cadeias carbônicas de ligações simples)
XO
2
=
Processo de oxidação
do NO para o NO
2
ISPD = Resíduos orgânicos resultantes da reação do Isopreno
CXO
3
= C
3
e radicais peroxi
de
maior
ordem
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
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II
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/24
O UAM-V assume que a difusão dos poluentes é proporcional ao gradiente
da concentração no espaço (i.e., teoria K ou fechamento de primeira ordem). O
fator de proporcionalidade é o termo de difusão turbulenta (K
X
, K
Y
e K
V
na
equação da advecção/difusão). A difusividade horizontal é calculada dentro d
o
UAM
-V baseando-se na deformação característica do campo horizontal de vento
(Smagorinsky, 1963).
O coeficiente vertical de troca turbulenta pode ser diagnosticado através dos
campos de vento e temperatura, ou obtido diretamente utilizando um modelo
mete
orológico. O modelo não calcula esse termo e ele deve entrar
separadamente na forma de um campo tridimensional. Nas bordas laterais é
considerado fluxo zero para a difusão horizontal e na borda superior é
considerado fluxo zero para a difusão vertical. A condição de contorno inferior é
especificada como deposição seca da primeira camada atmosférica para a
superfície.
O algoritmo de deposição seca do UAM-V é baseado no esquema do RADM
(Wesely, 1989). Uma breve descrição será feita nos próximos parágrafos, pa
ra
informações mais detalhadas e completas verificar Gray et al. (1991) e
Scire(1991).
No modelo o fluxo do poluente na condição de contorno inferior (superfície)
(F
0
) é expresso como a concentração na primeira camada atmosférica do modelo
(c
i
) e a velocid
ade de deposição (V
d
).
F
0
=
–
c
i
V
d
A velocidade de deposição é considerada como o inverso da soma de três
resistências, para espécies gasosas:
sba
d
RRR
V
1
Onde:
R
a
=
Resistência Aerodinâmica
R
b
=
Resistência da camada limite
R
s
=
Resistênci
a da superfície
A velocidade de deposição das espécies de particulado também depende da
distribuição de tamanho e densidade das partículas em questão. Partículas
maiores possuem uma velocidade de sedimentação (V
sed
) significativa, ao passo
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
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II
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/24
que as muito pequenas (da < 1 m) possuem um comportamento semelhante aos
gases. Uma expressão simplificada para a velocidade de deposição das
partículas pode ser considerada como (SAI,1999):
sed
baba
sed
d
VRRRR
VV
1
O UAM-V possui um sub-módulo de micro-meteorologia que calcula a
veloc
idade de fricção e o comprimento de Monin-Obukhov, necessários para
calcular a resistência aerodinâmica, baseado na teoria da similaridade. Essa
teoria assume que existe um fluxo constante da superfície para a metade da
altura da primeira camada. A pressão, a temperatura de superfície e a
temperatura do ar da primeira camada são utilizadas para calcular o gradiente da
temperatura potencial, que é combinado com o vento da primeira camada para
determinar a estabilidade. Utilizando-se a formulação de Louis (19
79),
estabilidade, vento na primeira camada e rugosidade de superfície são utilizados
para calcular o vento a 10 m, velocidade de fricção e comprimento de Monin-
Obukhov, para cada um dos diferentes tipos de uso do solo.
A velocidade do vento de superfície (10m), a velocidade de fricção e o
comprimento de Monin-Obukhov para cada categoria de uso do solo dentro da
grade são utilizados para calcular a resistência da camada limite e aerodinâmica
de cada célula da grade. As resistências
aerodinâmicas
são combinadas com as
resistências características de cada uso de solo e suas respectivas porcentagens
em cada célula, para se obter as velocidades de deposição dentro de cada uma
das células da grade, para cada uma das espécies.
O UAM-V considera a resistência dos estômatos como um importante fator
que controla a variação diurna da deposição seca dos gases nas superfícies com
vegetação. Isso é feito através de incrementos no termo da resistência das
superfícies durante os períodos de estresse de umidade. O algoritmo
de
deposição do modelo identifica 3 tipos de estado da vegetação em cada célula da
grade; (A) vegetação (irrigada ou não) em condições sem estresse; (B) vegetação
não
-
irrigada em condições de estresse e (C) vegetação inativa.
No estado (A), a resistência dos estômatos é parametrizada em termos da
resistência de referência (dependente da estação do ano e do uso do solo),
radiação solar e temperatura de superfície do ar. A temperatura do ar atua
diretamen
te no fechamento dos estômatos e o modelo considera as
temperaturas
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
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/24
de 0
o
, 40º e 20ºC como, respectivamente, mínima, máxima e ótima para o
fechamento dos estômatos.
No estado (B), que corresponde a uma abertura mínima dos estômatos, a
resistência é obtida multiplicando um fator de proporção nos valores do caso (A).
Normalmente o fator utilizado é 10. Esse valor nem sempre é adequado quando a
informação é eventualmente obtida por modelos. No estado (C) a resistência dos
estômatos assume valores muito altos (na ordem de 10
4
), basicamente impedindo
a deposição para camada de uso do solo. Nas situações que esses fatores não
podem ser obtidos com acurácia, apenas o estado (A) é considerado.
Deposição sobre superfícies de água pode ser muito rápida para diversos
gases solúveis, mas essa variação na velocidade de deposição em superfícies de
água não está bem representada pelo algoritmo de Wesely (1989). Dessa forma a
formulação para a resistência da superfície acima da água implementada no
UAM
-V foi baseada no trabalho de Slinn et al. (1978). Em fase líquida a
resistênc
ia da superfície pode ser calculada como (SAI,1999):
*
1
k
H
R
s
Onde H é o coeficiente da Lei de Henry, * é o acréscimo efetivo da
solubilidade de cada gás em água e k
1
é a velocidade de transferência na fase
líquida, que inclui o efeito do estresse de superfície. Slinn et al. (1978) expressou
k
1
em termos da velocidade de fricção de superfície acima da água u*:
k
1
= 4
,
8 . 10
-4
u*
O algoritmo de deposição do UAM-V inclui modificações nas resistências
superficiais para situações de superfíci
es com orvalho e molhadas devido à chuva
(Wesely, 1989). A extensão do orvalho é estimada pelo programa baseando-
se
em uma relação entre a umidade relativa e a velocidade do vento.
Se forem fornecidas taxas de precipitação como entrada do modelo, elas
serã
o utilizadas para determinar a extensão temporal e espacial da área molhada.
Esse mesmo arquivo de entrada é utilizado para calcular a deposição úmida. Na
ausência desse arquivo, o modelo considera apenas modificações na resistência
superficial devido ao o
rvalho.
O UAM-V possui um algoritmo opcional para calcular a remoção do aerossol
e dos gases solúveis durante os eventos de chuva. Um arquivo de entrada
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
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-9
/24
contendo dados horários de chuva, normalmente baseado em observações, é
necessário para isso. Em geral essa opção não é utilizada para a modelagem de
ozônio, pois é incomum a ocorrência de máximos de ozônio durante os eventos
de precipitação.
O tratamento da ascensão da pluma no UAM-V é baseado no tratamento
desenvolvido pelo modelo gaussiano de dispersão TUPOS (Turner et al.,1986). A
ascensão da pluma é calculada a partir dos parâmetros da chaminé e dos
arquivos meteorológicos. O algoritmo calcula a dependência da ascensão da
pluma com relação à estabilidade, baseando-se no empuxo ou no fluxo de
momento para a camada contendo a chaminé, utilizando-se aquele que for maior.
Se a ascensão da pluma exceder o topo da camada, a ascensão da pluma é
recalculada baseando-se na estabilidade local da camada imediatamente acima
com um empuxo residual da camada anterior (fluxo de momento é aplicado
unicamente à camada da chaminé).
O algoritmo de ascensão da pluma continua calculando a propagação da
pluma para cada camada utilizando equações apropriadas para condições
atmosféricas estáveis ou neutra/instável.
O UAM
-
V conté
m um módulo “Plume
-
in
-
Grid” (PiG) que considera plumas de
fontes pontuais sendo representadas como uma série discreta de
puffs
gaussianos em escala de sub
-
grade. O módulo PiG é baseado no Reactive Plume
Model (
orri set
al., 1992c).
Assim que um
puff
é emitido, ele começa a se deslocar dentro da região
modelada e vai sofrendo entranhamento do ar ambiente e transformações
químicas. Embora cada
puff
interaja com o ar em cada célula, ele não interage
com outros
puffs
. Quando a dimensão do
puff
é comparável com a dimensão da
célula, ele começa a sofrer entranhamento das células vizinhas e se propagar
nelas também. Esse processo se repete até que o
puff
seja eliminado.
II.2
DESCRIÇÃO DO MECANISMO FOTOQUÍMICO UTILIZADO
O ozônio é formado na atmosfera através de uma série de reações químicas
que variam de eficiência de acordo com a quantidade de óxidos de nitrogênio e de
compostos orgânicos voláteis (COV) presentes na atmosfera. Centenas de
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
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compostos orgânicos e milhares de reações participam da formação do ozônio na
at
mosfera. O mecanismo fotoquímico é o módulo que representa dentro do
modelo de qualidade de ar as interações químicas de todos os poluentes e
compostos presentes na atmosfera. Para simulações de poluentes secundários,
como o ozônio, é muito importante que
esse módulo seja bastante completo e que
os poluentes precursores estejam bem representados.
Um tratamento explícito de todos os compostos presentes na atmosfera e as
reações seriam de uma complexidade proibitiva em modelos eulerianos como o
UAM
-V. Dessa forma, a maioria dos mecanismos fotoquímicos trata as reações
químicas dos compostos orgânicos em grupos. Cada grupo contém centenas
de
reações envolvendo espécies orgânicas de reatividade semelhantes. As reações
fotoquímicas que agregam essas centenas de reações em um número menor de
grupos são denominadas reações “lumped”
Um mecanismo fotoquímico representativo é crucial para as simulações de
ozônio, pois um mecanismo inadequado implica que o modelo pode estar
estimando incorretamente a formação de poluentes, tanto espacialmente, quanto
temporalmente e assim resultando, por exemplo, em implantações inadequadas
de estratégias de controle da poluição atmosférica.
O UAM-V emprega uma extensão da versão IV do Carbon Bond Mechanism
(CB
-
IV) para resolver a cinéti
ca química (Gery et al., 1988).
A atual versão estendida chama-se CB-
IV
-TOX, que expandiu o tratamento
das olefínas e aldeídos, incluindo um tratamento explícito para o acetaldeído. A
formulação do CB-IV agrega as espécies orgânicas baseando-se nas ligaçõ
es
entre os carbonos.
O CB-
IV
-TOX contém mais de 30 espécies químicas (Tabela 4) e mais de
100 reações químicas (Tabela 5). O UAM-V contém melhorias significa
tivas
no
mecanismo químico Carbon Bond sugeridas em Dodge (1989) e também
melhorias dos efeitos da temperatura no PAN (reações 46-48), inclusão de
reações radical-radical e uma revisão da química do isopreno baseando-se no
estudo de Carter, 1996.
A constante de velocidade da reação (k) é calculada pela equação de
Arrhenius
, cujos valores da energia de ativação (E) são apresentados na Tabela
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
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5. A energia de ativação é a quantidade de energia adicional que as moléculas
precisam obter para iniciar a reação.
O CB-
IV
-TOX foi originalmente desenvolvido para possibilitar estudos mais
detalhados dos aldeídos e sua respectiva contribuição para a formação do
material orgânico particulado (POM), também foi inicialmente utilizado em alguns
estudos para modelagem em escala urbana (Guthrie et al., 1997; Ligocki et al.,
1992; Ligocki and Whitten, 1992; Ligocki et al.,
1991
ª
; Ligocki et al., 1999b).
As equações diferenciais que descrevem o CB-IV são classificadas como
sistema “stiff” (SAI, 1999), ou seja, contêm amplas variações nas constantes de
tempo (taxas de reação). Solucionar esse sistema de equações com um siste
ma
de integração numérica convencional para sistemas “stiff”, seria proibitivo devido
ao tempo computacional.
A integração no tempo do CB-IV no modelo UAM utiliza aproximações de
estado semi-estacionário para espécies com grandes taxas de formação/remoção
(as espécies em estado estacionário) e usa o algoritmo computacionalmente
eficiente de Newton
-
Raphson para as espécies em estado estac
i
onário. O método
de solução Crank-Nicholson é utilizado para as outras espécies (espécies ativas),
SAI, 1999.
O desenvolvimento e formulação do mecanismo químico CB-IV está descrito
com maiores detalhes em Gery et al. (1988, 1989). A implementação numérica do
CB
-IV no modelo UAM é discutido com mais detalhes em
orri
s
et
al. (1990 c, d).
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
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/24
Tabela
4 –
Espécies químicas representadas no
mecanismo químico
Carbon Bond
.
NOME DA ESPÉCIE
REPRESENTAÇÃO
Monóxido de Nitrogênio
Dióxido de Nitrogênio
Radical Nitrato
Pentóxido de Dinitrogênio
Ácido Nitroso
Ácido Nítrico
Ácido Peroxin
í
trico (HO
2
NO
2
)
Oxigênio Atô
mico (singlet)
Oxigênio Atômico (triplet)
Radical Hidroxil
Vapor de Água
Ozônio
Radical Hidroperoxil
Peróxido de Hidrogênio
Monóxido de Carbono
Formalde
í
do (HCHO)
Acetalde
í
do
Alde
í
dos de Alto peso molecular (RCHO, C>H2)
Olefinas Internas
Radical Pero
xiacil (CH
3
C(O)OO
)
C3 e radicais peroxi maiores
Nitrato de Peroxiacil (CH
3
C(O)OONO
2)
C3 e compostos como o PAN maiores
Nitrofenol
Parafinas (C
-
C)
Radical orgânico secundário oxi
Olefinas (C=C)
Eteno (CH
2
=CH
2
)
Tolueno (C
6H5-
CH
3)
Cresol e fenóis com alto peso molecul
ar
Aducto de tolueno e radical hidroxil
R
adical
Methi
lphenox
i
Fragmentos de alto peso molecular de anéis aromáticos oxidados
Xileno (C
6H4-
(CH
3)2)
Meth
i
lgl
i
oxal (CH
3
C(O)C(O)H)
Isopreno
Resíduos Orgânicos da Reação do Isopreno
Metanol
Etanol
Meth
il-
ter
ci
ar
i
but
i
leter
Dióxido de Enxofre
Sulfatos
Passagem do NO para NO
2
Passagem do NO para nitrato
Nitrato Orgânico
NO
NO2
NO3
N2O5
HONO
HNO3
PNA
O1D
O
OH
H2O
O3
HO2
H2O2
CO
FORM
ACET
ALDX
IOLE
C203
CXO3
PAN
PANX
NPHN
PAR
ROR
OLE
ETH
TOL
CRES
TO2
CRO
OPEN
XYL
MGLY
ISOP
ISPD
MEOH
ETOH
MTBE
SO2
SULF
XO2
XO2N
NTR
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
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13
/24
Tabela
5 –
Reações químicas representadas
no
mecanismo químico
Carbon Bond
.
Reação Química
Taxa de Reação
a
298 K
(ppm
-n
min
-1
)
E/R (K)
1 NO2
NO + O
Dependência
da Radiação
b
2 O
O3
4323000
-
1175
3 O3 + NO
NO2
26
,
64
1370
4 O + NO2
NO
13750
0
5 O + NO2
NO3
2309
-
687
6 O + NO
NO2
2438
-
602
7 NO2 + O3
NO3
0
,
04731
2450
8 O3
O
0
,
053 x k1
9 O3
O1D
Dependência da Radiação
b
10 O1D
O
424600
-
390
11 O1D + H2O
2 OH
3
,
26
0
12 O3 + OH
HO2
100
940
13 O3 + HO2
OH
3
580
14 NO3
0
,
89 NO2 + 0
,
89 O + 0
,
11 NO
33
,
9 x
k1
15 NO3 + NO
2 NO2
44160
-
250
16 NO3 + NO2
NO + NO2
0
,
5901
1230
17 NO3 + NO2
N2O5
1853
-
256
18 N2O5 + H2O
2 HNO3
1
,
9 x 10
-
6
0
19 N2O5
NO3 + NO2
2
,
776
10,900
20 NO + NO
2 NO2
0
,
00015
-
530
21 NO + NO2 + H2O
2 HONO
3
,
0 x 10
-
8
-
6348
22 NO + OH
HONO
9799
-
806
23 HONO
NO + OH
0
,
1975 x k1
24 HONO + OH
NO2
9770
0
25 HONO + HONO
NO + NO2
0
,
00002
0
26 NO2 + OH
HNO3
1
6
820
-
713
27 H
NO3 + OH
NO3
217
,
9
-
1000
28 NO + HO2
OH + NO2
12270
-
240
29 NO2 + HO2
PNA
2025
-
749
30 PNA
HO2 + NO2
5
,
115
10,121
32 HO2 + HO2
H2O2
4144
-
1150
33 HO2 + HO2 + H2O
H2O2
0
,
2181
-
5800
34 H2O2
2 OH
0
,
255 x k
39
35 H2O2 + OH
HO2
2520
187
36 CO + OH
HO2
322
0
37 FORM + OH
HO2 + CO
16300
110
38 FORM
2 HO2 + CO
Dependência da Radiação
b
39 FORM
CO
Dependência da Radiação
b
40 FORM + O
OH + HO2 + CO
237
1550
41 FORM + NO3
HNO3 + HO2 + CO
0
,
93
0
42 ACET + O
C2O3 + OH
636
986
43 ACET + OH
C2O3
21900
-
205
44 ACET + NO3
C2O3 + HNO3
4
,
03
1860
45 ACET
FORM + 2 HO2 + CO + XO2
Dependê
ncia da Radiação
b
46 C2O3 + NO
FORM + NO2 + HO2 + XO2
2820
180
47 C2O3 + NO2
PAN
13700
-
380
48 PAN
C2O3 + NO2
0
,
0254
13,500
49 C2O3 + C2O3
2 FORM + 2 XO2 + 2 HO2
24500
-
530
50 C2O3 + HO2
0
,
33 O3
20900
-
1040
51 CH4 + OH
FORM + XO2 + HO2
10
,
34
1710
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-
14
/24
Reação Química
Taxa de Reação
a
298 K
(ppm
-n
min
-1
)
E/R (K)
52 PAR + OH
0,
87 XO2 + 0
,
13 XO2N + 0
,
11HO2
+ 0
,
06 ACET
-
0
,
11 PAR + 0
,
76 ROR
+ 0
,
05 ALDX
1203
0
53 ROR
0,
96 XO2 + 0
,
6 ACET + 0
,
94 HO2
+2
,
1 PAR
+ 0
,
04XO2N +0
,
02ROR +0
,
5ALDX
137100
8000
54 ROR
HO2
95445
0
55 ROR + NO2
NTR
22000
0
56 OLE + O
0,
24 ACET + 0
,
38 HO2 + 0
,
28XO2
+ 0
,
3 CO + 0
,
2 FORM + 0
,
02 XO2N
+ 0
,
22 PAR + 0
,
2 OH + 0
,
39 ALDX
5920
324
57 OLE + OH
FORM + 0
,
38 ACET +0
,
62 ALDX
–
PAR + XO2 + HO2
42000
-
504
58 OLE + O3
0
,
19 ACET + 0
,
31 ALDX
+ 0
,
74 FORM + 0
,
22 XO2+ 0
,
1 OH
+ 0
,
33 CO + 0
,
44 HO2
-
PAR
0
,
018
2105
59 OLE + NO3
0,
91 XO2 + FORM + 0
,
09 XO2N
+ 0
,
35 ACET + 0
,
56 ALDX + NO2
-
PAR
11
,
35
0
60 ETH + O
FORM + 1,
7 HO2 + CO + 0
,
7 XO2
+ 0
,
3 OH
1080
792
61 ETH + OH
XO2 +1
,
56FORM +0
,
22ALDX +HO2
11920
-
411
62 ETH + O3
FORM + 0
,
42 CO + 0
,
12 HO2
0
,
0027
2633
63 TOL + OH
0,
44 HO2 + 0
,
08 XO2 + 0
,
36 CRES
+ 0
,
56 TO2
915
0
-
322
64 TO2 + NO
0,
9 XO2 + 0
,
9 HO2 + 0
,
9 OPEN
+NO
+ 0
,
1 XO2N
12000
0
65 TO2
CRES + HO2
250
0
66 CRES + OH
0,
4 CRO + 0
,
6 XO2 + 0
,
6 HO2
+ 0
,
3 OPEN
61000
0
67 CR
ES + NO3
CRO + HNO3
32500
0
68 CRO + NO2
NPHN
20000
0
69 OPEN
C2O3 + HO2 + CO
9
,
04 x k
38
70 OPEN + OH
XO2 +2CO +2HO2 +C2O3 +FORM
44000
0
71 OPEN + O3
0,
03ALDX +0
,
62C2O3 +0
,
7FORM
+ 0
,
03 XO2 + 0
,
69 CO + 0
,
08 OH
+ 0
,
76 HO2 + 0
,
2 MGLY
0,
015
500
72 XYL + OH
0,
7 HO2 + 0
,
5 XO2 + 0
,
2 CRES
+ 0
,
8 MGLY + 1
,
1 PAR + 0
,
3 TO2
36200
-
116
73 MGLY + OH
XO2 + C2O3
26000
0
74 MGLY
C2O3 + HO2 + CO
0
,
022 x k1
75 ISOP + O
0,
75 ISPD + 0
,
50 FORM + 0
,
25 X02
+ 0
,
25 HO2 + 0
,
25 CXO3 + 0
,
25 PAR
53200
0
76 ISOP + OH
0,
91ISPD +0
,
62FORM +0
,
99XO
+ 0
,
912 HO2 + 0
,
088 X02N
2147600
-
407
,6
77 ISOP + O3
0,
65 ISPD + 0
,
60 FORM + 0
,
20 X02
+ 0
,
066HO2 + 0
,
266OH + 0
,
20CXO3
+ 0
,
15ALDX + 0
,
35PAR + 0
,
066 CO
0,
019
1912
78 ISOP + NO3
0,
2 ISPD +X02 +0
,
8 HO2 +0
,
2 NO2
+ 0
,
80 ALDX+ 2
,
4 PAR + 0
,
8 NTR
996
448
79 XO2 + NO
NO2
12000
0
80 XO
2 + XO2
2000
-
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-
15
/24
Reação Química
Taxa de Reação
a
298 K
(ppm
-n
min
-1
)
E/R (K)
81 XO2N + NO
NTR
12000
0
82 ETOH + OH
HO2 + 0,
95 ACET + 0
,
78 FORM
+ 0
,
05 XO2 + 0
,
011 ALDX
4840
66
,8
83 ETOH + NO3
HO2 + ACET + HNO3
1
,
33
0
84 MEOH + OH
FORM + HO2
1375
0
85 MEOH + NO3
HO2 + FORM + HNO3
0
,
33
0
86 XO2 + HO2
8900
-
1300
87 XO2N + HO2
8900
-
1300
88 XO2N + XO2N
2000
-
1300
89 XO2N + XO2
4000
-
1300
90 ALDX + O
CXO3 + OH
-
PAR
632
,
986
,
91 ALDX + OH
CXO3
-
PAR
24000
,
-
250
,
92 ALDX NO3
CXO3 + HNO3
-
PAR
4
,
03
1860
,
93 ALDX
ACET + 2 HO2 +CO +XO2
-
PAR
Dependência da Radiação
b
94 IOLE + O
1,
14 ACET + 0
,
76 ALDX + 0
,
1 HO2
+ 0
,
1 XO2 +
0,
1 CO + 0
,
1 PAR
34000
0
95 IOLE + OH
1
,
2 ACET + 0
,
8 ALDX + HO2 + XO2
94300
-
550
96 IOLE + O3
0,
6ACET +0
,
4 ALDX + 0
,
25FORM
+ 0
,
25 CO + 0
,
5 O + 0
,
5 OH + 0
,
5 HO2
0,
31
1100
97 IOLE + NO3
1
,
09ACET +0
,
73ALDX +HO2 +NO2
573
,
270
,
98 CXO3 + NO
ACET + NO2 + HO2 + XO2
28200
,
180
,
99 CXO3 + NO2
PANX
13700
,
-
380
,
100 PANX
CXO3 + NO2
2
,
54E
-
2
13500
,
101 CXO3 + C2O3
ACET +FORM +2
,
XO2 +2
,
0 HO2
24500
,
-
530
,
102 CXO3 + HO2
0
,
33 O3
20900
,
-
1040
,
103 PANX + OH
ACET + NO2
1700
,
0
,
104 OH + HO2
1
,
626E+5
-
250
,
105 ISPD + OH
1,
6PAR + 0
,
167FORM + 0
,
71XO2
+0
,
50HO2
+0
,
33CO +0
,
17MGLY
+0
,
25ACET +0
,
21 C2O3
+0
,
28CXO3 +0
,
021 ALDX
49
,
66
0 0
106 ISPD + O3
0,
11 C2O3 +0
,
15 FORM +0
,
28 OH
+0
,
85 MGLY +0
,
15 HO2 +0
,
06 XO2
+ 0
,
02ACET + 0
,
3PAR + 0
,
2CO
0,
0105
0
107 ISPD + NO3
0,
37 ALDX + 0
,
28 FORM +0
,
64CO
+1
,
28P
AR +0
,
92HO2 +0
,
08 CXO3
+ 0
,
08 XO2+ 0
,
08HNO3 + 0
,
85 NTR
1,
478
0
108 ISPD
0,
33 CO + 0
,
07 ACET + 0
,
9 FORM
+0
,
83 PAR +1
,
03 HO2 +0
,
7XO2
+ 0
,
967 C2O3 +0
,
7 CXO3
Dependência da Radiação
b
109 ISOP + NO2
0,
20 ISPD + 1
,
0 XO2 + 0
,
80 HO2
+ 0
,
2NO + 0
,
8ALD2 + 2
,
4PAR+ 0
,
8NTR
0,
00022
0
110 MTBE + OH
1,
37 XO2 + 0
,
98 HO2 + 0
,
42 FORM
+ 0
,
97 PAR + 0
,
02 XO2N
4100
, 0
111 SO2 + OH
SULF + HO2
1110
-
160
112 SO2
SULF
8
,
167E
-
5
0
a
Va
lores dependentes da pressão para as concentrações de M e O
2
estão inclusos nas taxas das constantes
onde for
apropriado
: [M] = 106 ppm, [O2] = 2
,
095 x 10
5
ppm
,
b
Valores representativ
o
s das taxas de fotólise das reações 1, 9, 38, 39, 45, 93, e 108 estão n
a tabela 3.
c
No UAM-V, a concentração do metano é assumida com espacialmente homogênea e conseqüentemente
1,
85 ppm de [CH
4
] é incluído na taxa da reação 51.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-
16
/24
II.3
REGIÃO SIMULADA E DADOS DE ENTRADA DO MODELO
II.3.1
Descrição das Grades
Devido à sua localização, a qualidade do ar do município de Sorocaba é
influenciada pelo transporte de poluentes originários da região metropolitana de
São Paulo e dos municípios industrializados de Campinas e Paulínia. A maneira
escolhida para lidar com essa questão foi aninhar duas grades, uma em escala
maior para simular os efeitos de transporte de poluentes de São Paulo, Campinas
e Paulínia para Sorocaba (Figura
14
) e uma outra, menor, para simular a
formação de ozônio em escala urbana sobre Sorocaba e Votorantim (Figura
15
).
Figur
a
14
- Grade computacional, com resolução de 4x4km utilizada nas simulações de efeitos de
borda sobre a região do estudo.
A grade maior (Figura
14
) é
quadrada
, está centralizada em Sorocaba e
abrange uma área de 120 km x 120 km, contendo 30 x 30 células quadradas de 4
km de lado. A grade acompanha o terreno e foram utilizados oito níveis verticais,
com alturas de 50m, 100m, 150m, 250m, 500m, 1000m, 1750m e 2600m, em
relação ao nível do solo. As bordas norte e leste foram alinhadas com as regiões
limítrofes das áreas urbanas dos municípios de Campinas e São Paulo,
respectivamente.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-
17
/24
Figura
15
- Grade computacional, com resolução de 1x1km, utilizada nas simulações em escala
urbana dos municípios de Sorocaba e V
otorantim.
A grade menor é
quadrada
está centralizada com o centro da grade maior, e
abrange uma área de 40 km x 40 km, contendo 40 x 40 células quadradas de 1
km de lado. A grade acompanha o terreno e foram utilizados oito níveis verticais,
com alturas de 50m, 100m, 150m, 200m, 250m, 500m, 750m e 1500m, com
relação ao nível do solo
.
O aninhamento das grades não foi feito de modo interativo (two-
way),
primeiro simulou-se a grade maior (Figura
14
) apenas com as concentrações de
borda e depois utilizou-se o resultado dessa simulação para forçar as bordas da
grade menor (figura
15
).
Com o aninhamento, a grade menor corresponde a uma área de 10 x 10
células centrais da grade maior (Figura 16) e, com esse refinamento, cada célula
da grade maior corresponde a 16 c
élulas da grade menor.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-
18
/24
Figura
16
–
Aninhamento das duas grades utilizadas na simulação de Sorocaba.
II.3.2
Condições de Contorno
As condições de contorno da simulação em escala urbana (grade menor)
foram obtidas a partir dos resultados da simulação da grade externa (maior). O
objetivo da simulação na grade externa foi determinar a influência das
concentrações de NO, NO
2
, COV e O
3
provenientes de São Paulo e a influência
das concentrações de O
3
de Campinas e Paulínia sobre a região de So
rocaba.
Para isso, foram colocadas
na grade externa
as seguintes condições:
-
A emissão dentro da grade é igual à zero em todas as células;
- A condição de contorno superior (topo da grade, equivalente a 2600m) foi
considerada como concentração de fundo (b
aixos valores de concentração);
- A concentração inicial na grade e as concentrações em todas as células
das bordas sul e oeste da grade foram consideradas como valores de
concentração de fundo e as bordas norte e leste foram forçadas com valores de
concen
tração variando no espaço e no tempo.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-
19
/24
Na borda leste da grade, foram colocada
s
como
valores de fronteira
as
concentrações de NO, NO
2
, e O
3
registradas pela estação automática da
CETESB localizada no Parque do Ibirapuera e os valores de HCNM registrados
pel
a estação automática de São Caetano do Sul. Na borda norte, foram colocados
nos valores de fronteira concentrações registradas pela estação automática da
CETESB localizada em Paulínia.
As concentrações de fronteira foram construídas da seguinte forma: nas
células da borda leste marcadas em cinza (figura 1
7
) foram colocados valores das
médias horárias das concentrações nas estações do Ibirapuera e São Caetano do
Sul correspondente a cada horário de simulação. Na borda norte, foi realizado o
mesmo procedimento para as células marcadas em cinza, porém a borda foi
forçada unicamente com as concentrações horárias de ozônio da estação de
Paulínia (figura 17). Nas bordas norte e leste, foram utilizados valores de
concentração de fundo para as células não marcadas e
m cinza.
Figura
17
– Variação espacial das condições de contorno da grade externa (células marcadas em
cinza)
.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-
20
/24
Devido às dificuldades
em
se encontrar perfis verticais de ozônio
troposférico para a região de Sorocaba e para essa época do ano, considerou-
se
nesse estudo
um
perfil
no
qu
al
os valores de concentração dos poluentes
permanecem constantes até 250m e acima dessa altura foram considerados
valores de fundo.
II.3.3
Forçantes Meteorológicas do Modelo
Os maiores erros em simulações fotoquímicas envolvem entradas
insatisfatórias de campos meteorológicos e de emissões (Russel e Dennis, 2000).
Bä
rtsch
-Ritter et al. (2003) discutem as variações obtidas nas concentrações de
ozônio na área de Milão, para diferentes alturas da camada de mi
stura,
temperatura do ar, umidade específica e velocidade do vento. Esses estudos
demonstram a importância de se ter campos meteorológicos bem determinados
para
que
uma simulação
seja
bem sucedida.
Os campos meteorológicos são obtidos, em geral, através da interpolação
dos dados medidos nas estações e posterior análise objetiva desses dados, de
acordo com os procedimentos descritos em Goodin et al. (1979). Neste
procedimento utiliza-se um esquema de distâncias ponderadas pelo fator de 1/R²
(R é a distância em pontos da estação de medição). Para o campo de vento em
níveis superiores é utilizada a ponderação pelo fator 1/R.
Uma alternativa para a obtenção de campos meteorológicos é a utilização de
modelos prognósticos. Por exemplo, Ynoue (1999) utilizou o RAMS (Regional
Atmospheric Modeling System) para a geração dos campos para serem
incorporados no CIT. Giovannoni e Russel (1995) também fizeram um estudo
sobre o impacto de se utilizar campos de vento prognósticos e diagnósticos no
modelo fotoquímico CIT para
a cidade de Atenas, Grécia.
Bä
rtsch
-Ritter et al. (2003) utilizou o pré-processador SAIMM (SAI
Mesoscale Model: SAI, 1995), baseado no modelo hidrostático de mesoescala
MM2 (Pielke, 1974), para gerar os campos meteorológicos para simulações d
o
UAM
-
V.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
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II
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21
/24
As informações meteorológicas utilizadas nas simulações do UAM-V são
passadas ao modelo na forma de campos horários tridimensionais. Esses campos
consistem basicamente em:
Pressão Atmosférica e
Espessura
das Camadas: A grade do UAM-V possui
um número de camadas verticais determinado pelo usuário, as quais podem
variar de espessura no espaço e no tempo. As alturas com relação ao solo
dessas camadas e a pressão atmosférica do ponto médio dessas camadas são
definidas para cada célula do domínio. A pressão atmosférica é utilizada
nas
expressões dos cálculos d
as
taxas de
algumas
reações químicas. O modelo
utiliza um sistema de coordenadas que acompanha o terreno, dessa forma, as
camadas verticais são paralelas entre si e paralelas com relação ao solo, fazendo
com que todas as células de uma mesma camada possuam uma mesma altura
com relação ao solo, ao longo de todo o domínio.
Altura da Camada de Mistura: O UAM-V não utiliza um campo específico de
altura de camada de mistura, essa informação está implícita dentro do cam
po
tridimensional de turbulência vertical.
Uso do Solo e Albedo de Superfície: O tipo de utilização do solo é
parametrizad
o através de 11 categorias de cobertura. Esse parâmetro tem que
ser especificado para cada célula em forma de porcentagem de cada uma
das
categorias e é utilizado para calcular a deposição seca. Os índices de albedo de
superfície também são necessários, pois são parâmetros utilizados pelo modelo
para calcular as variações nas taxas de fotólise em cada célula.
Terreno:
O modelo considera que as influências do terreno já estão
embutidas nos campos meteorológicos de entrada (o modelo utiliza um sistema
de coordenadas que acompanha o terreno e supõe que os campos
meteorológicos de entrada estejam nesse mesmo sistema).
Campo de Vento: Essa variável é especificada de forma horária, com duas
opções de configuração, no centro de cada célula ou nas bordas das células. O
campo de vento tridimensional é utilizado pelo modelo para estimar os termos de
advecção horizontal na equação da difusão, calcular as velocidades verticais
(através da conservação de massa), calcular os parâmetros para a deposição na
camada de superfície, determinar as características de ascensão da pluma e
diagnosticar os coeficientes de difusão.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
II
Pág.
II
-
22
/24
Campo de Temperatura: A temperatura é especificada de forma horária, no
centro de cada célula em toda a grade tridimensional. A temperatura é utilizada
para avaliar as taxas das reações dentro do módulo de química e determinar as
características da ascensão da pluma e, também, para o cálculo da deposição
seca.
Coeficiente de Troca Vertical: O coeficiente de troca vertical é um parâmetro
horário calculado no topo de cada célula da grade. A difusividade vertical é
necessária para avaliar a porção vertical do termo de troca turbulenta na equaçã
o
da difusão atmosférica. Esse termo é importante para estudar a propagação
vertical dos poluentes na atmosfera.
Vapor de Água: A concentração de vapor de água (umidade absoluta) tem
que ser especificada de forma horária, no centro de cada célula da grade. A
concentração de vapor de água é necessária
em
taxas de reação dentro do
módulo de química que envolva a concentração do vapor. Essa variável é
especificada de forma horária, em todo o campo tridimensional, em ppmv.
A radiação atmosférica é calculada pelo modelo, baseando-se na
coordenada geográfica e na data, para calcular a incidência da radiação solar. A
fração de nuvens, a turbidez atmosférica (espalhamento e absorção de radiação
devido ao aerossol), e a densidade de ozônio na coluna acima da região
modelada, basicamente, ozônio estratosférico, são utilizados para ajustar o
cálculo da radiação incidente em superfície.
Os campos meteorológicos utilizados nesse estudo foram obtidos de duas
formas
para a grade externa foram utilizados dados de reanálises do CDC –
NOAA interpolados espacialmente e temporalmente. Para a grade interna foram
utilizados dados meteorológicos da estação de superfície da CETESB de
Sorocaba interpolados com a estrutura vertical das reanálises do CDC.
II.3.4
Emissões das Fontes Móveis e Estacionárias em
Superfície
Um dos pontos cruciais para simulações desse tipo, é a determinação
correta das emissões antropogênicas em superfície. O inventário da Tabela 2
apresenta uma estimativa, em unidade de 1000 toneladas por ano, das emissões
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
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23
/24
das principais fontes móveis e estacionárias para os municípios de Sorocaba e
Votorantim.
Inicialmente foram simulados diversos cenários, nos qua
is
aplic
aram
-
se
alguns fatores de escala no inventário de emissões. Os fatores que apresentaram
melhores resultados nas simulações foram 0,5 NO
X
e 1,2 HCNM. Esses valores
ficaram próximos aos valores já utilizados anteriormente em outros trabalhos do
grupo de pesquisa (Andrade et al., 2004 e Vivanco e Andrade, 2006), como
correção inicial do inventário como um todo
.
Exis
tem dois outros fatores
importantes a serem considerados: o
perfil horário
e o perfil diário de emissão.
O trânsito não flui da mesma forma sempre, isso significa que dividir a
emissão do inventário pelo número total de horas existente em um ano, não
repr
esenta adequadamente a realidade. Dessa forma, é necessário aplicar uma
ponderação
, diária e horária,
na
divisão das emissões. A ponderação horária
foi
extraída dos dados de tráfego da CET, enquanto que a ponderação diária foi
obtida através das razões entre as médias diárias e a média anual (Figuras
18
a
20
).
Razões das Emissões
0
1
2
3
4
5
6
5/9/2004 6/9/2004 7/9/2004 8/9/2004 9/9/2004 10/9/2004
NOX/ANO
HCNM/ANO
HCNM/NOX
Figura
18
– Razões entre as médias diárias do período e a média diária do ano de 2004 para
NO
X
,
HCNM
e a razão
HCNM
/NO
X
em (ppmC/ppm), calculadas para 05 a 10 de
setembro d
e 2004
.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímic
os na Atmosfera de
Sorocaba
Modelo de Qualidade do Ar
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Razões das Emissões
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
16/8/2004 17/8/2004 18/8/2004
19/8/2004 20/8/2004
NOX/ANO
HCNM/ANO
HCNM/NOX
Figura
19
– Razões entre as médias diárias do período e a média diária do ano de 2004 para
NO
X
,
HCNM
e a razão
HCNM
/NO
X
em (ppmC/ppm), calculadas para 16 a 20 de
agosto de 2004
.
Razões das Emissões Horárias
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13 14
15
16
17 18
19 20
21
22
23
Hora Local
HCNM
NOX
Figura
20
–
Razões horárias das emissões veiculares de NO
X
e HCNM utilizadas na
s
simulações.
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III
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO EVENTO OCORRI
DO
DURANTE OS DIAS 05
-
10/09/04
Esse evento foi simulado no UAM-V utilizando-
se
inicialmente
apenas a
grade externa e para verificação da simulação foram utilizados os dados de
concentração de O
3
das estações do Parque do Ibirapuera e de Paulínia, os
dados de NO e NO
2
da estação do Parque do Ibirapuera e os dados de HCNM da
estação de São Caetano. Com as saídas dessa simulação, foram obtidos os
valores de concentração de poluentes na borda
para
a grade
interna
e esse
evento foi novamente simulado, agora incluindo as emissões dos municípios de
Sorocaba e Votorantim.
Na cidade de São Paulo (Figura 21), e
sse evento consistiu, basicamente,
em
cinco dias com ultrapassagens do nível de atenção (aproximadamente 0,1 ppm)
e
um dia com ultrapassagem do padrão primário (aproximadamente 0,08 ppm). Em
Sorocaba (Figura 21), esse evento consistiu, basicamente, em um dia com
ultrapassagem do nível de atenção e três dias com ultrapassagem do padrão
primário.
Nesse período foram registrados picos noturnos de ozônio em maior
quantidade e intensidade em Sorocaba do que em São Paulo (
Figura
2
1)
,
indicando
, provavelmente, advecção do s
mog
fotoquímico
originad
o em São
Paulo para Sorocaba. A análise da direção do vento
nesse
período corrobora
essa hipótese.
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0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
O3_SOR
O3_SP
Figura
21
– Médias horárias das concentrações de ozônio (em ppm) para as estações
automáticas da CETESB em São Paulo (
estação do
Ibirapuera)
e
Sorocaba.
Apresenta
-se a seguir os resultados das simulações para esse período para
a grade externa.
III.1
RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A
GRADE EXTERNA
Foram utilizados como dados de entrada para a simulação da grade externa
dados de reanálises d
o
Climate Diagnostics Center – NOAA médias diárias dos
perfis verticais de temperatura, umidade absoluta, pressão atmosférica e vento.
Essa simulação foi realizada para estudar o efeito do transporte de poluentes da
RMSP para Sorocaba e também para a determinação das condições de contorno
da simulação para a grade interna que possui melhor resolução.
O período de simulação foi de
sete
dias, sendo o instante inicial às 00h do
dia 04/09 e o instante final às 23h do dia 10/09. As 24 horas iniciais da simulação
foram descartadas das análises, pois foram utilizadas para estabilizar o modelo.
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Sorocaba
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Na
F
igura 2
2
são apresentados
os valores de concentração
de NO
(em ppm)
da estação de qualidade do ar de Sorocaba (
NO_SOR
) e
os
valores calcula
dos
pelo modelo para Sorocaba (NO_UAM)
.
As concentrações
registradas
de NO
foram inferiores a 0,04 ppm nos três primeiros dias,
aumenta
ndo abruptamente
em
três
vezes no dia 08,
ficando estável
no dia 09 e
diminuindo
novamente no dia
10
(figura 22). Como essa grade foi simulada sem emissões, o NO calculado para
Sorocaba pelo modelo é todo oriundo das concentrações da borda leste (RMSP).
Esse gráfico permite observar que o NO emitido por São Paulo é consumido
quase na totalidade durante o trajeto até Sorocaba e que as concentrações desse
p
oluente
registradas em Sorocaba são
conseqüência
s diretas das emiss
ões
locais.
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
NO_UAM
NO_SOR
Figura
22
– Média horária das concentrações de NO (em ppm) da estação de Sorocaba
e calculadas pelo UAM
-V
para
a grade externa
.
Na Figura 23 são apresentados os valores de concentração de NO
2
(em
ppm) da estação de Sorocaba (
NO2_SOR
), e os valores calculados pelo modelo
para Sorocaba (
NO2_UAM
).
O NO
2
apresentou um comportamento cíclico, com
período de um dia, e um pequeno aumento nas
concentrações
nos últimos dias
do evento. Como essa grade foi simulada sem emissões, o NO
2
calculado para
Sorocaba pelo modelo é todo oriundo das concentrações da borda leste (RMSP).
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O NO
2
simulado
em Sorocaba pelo modelo tem duas origens
,
uma pequena parte
é emissão d
ireta
d
e
NO
2
por São Paulo e o restante do NO
2
que chega a
Sorocaba é resultado da
oxidação do NO
, emitido por
São Paulo
,
durante o trajeto
até Sorocaba (figura 23).
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
NO2_UAM
NO2_SOR
Figura
23
– Média horária das concentrações de NO
2
(em ppm) da estação de Sorocaba
e calculadas pelo UAM
-
V
para
a grade externa.
Na Figura 24 são apresentados os valores de concentração de O
3
(em ppm)
da estação de Sorocaba (
O3_SOR
), e os valores calculados pelo modelo para
Sorocaba (
O3_UAM
).
Foram registradas concentrações elevadas de ozônio
durante todo o período com um gradual aumento nos últimos três dias.
Como
essa grade foi simulada sem emissões, o O
3
calculado para Sorocaba pelo
modelo é todo oriundo das concentrações da borda leste (RMSP). O O
3
observado em Sorocaba tem duas origens, uma delas é o transporte diret
o
de O
3
de
São Paulo
para Sorocaba e a outra é o transporte de
NO
2
e
HCNM
que
sofrem
reações químicas durante o trajeto até
Sorocaba
favorecendo a formação e
acúmulo
de
O
3
na atmosfera.
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0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
O3_UAM
O3_SOR
Figura
24
– Média horária das concentrações de O
3
(em ppm) da estação de Sorocaba
e calculadas pelo UAM
-
V
para
a grade externa.
Essa simulação não considerou os efeitos da emissão local de poluentes,
m
esmo
assim, as concentrações de ozônio observadas foram parcialmente
reproduzidas
, inclusive os picos secundários e noturnos, indicando que uma
grande parte do
s
mog observado em Sorocaba nesse episódio
pode ter tido
como
origem São Paulo
.
Em eventos com vento predominante de leste, como este caso, é p
ossível
observar as condições de qualidade do ar de Sorocaba sendo praticamente
controladas pelas condições dos poluentes de São Paulo. Isso ocorre, pois a
distância entre essas duas cidades é relativamente pequena, cerca de 90 km em
linha reta, e a quantidade de poluentes emitidos na RMSP é muito grande, com
isso, a quantidade de poluentes que chega até Sorocaba é comparável com a
quantidade de poluentes emitidos pela própria cidade de Sorocaba
.
Os municípios de Sorocaba e Votorantim estão no centro da grade utilizada
nas Figuras 25 à
30
. Considerando o ozônio como traçador do smog fotoquímico
,
fica evidente o transporte significativo dos poluentes de São Paulo para Sorocaba
e, conseqü
entemente,
a formação de uma pequena região com altas
concentrações de oz
ônio entre os dois municípios.
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Figura
25
–
Concentraç
ão
de
O
3
(em ppm)
no dia 05/set/2004 às 12h
para a grade externa
Figura
26
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 06/set/2004 às 12h para a grade e
xterna
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Figura
27
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 07/set/2004 às 12h para a grade externa
Figura
28
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 08/set/2004 às 12h para a grade externa
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Figura
29
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 09/set/2004 às 12h para a grade externa
Figura
30
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 10/set/2004 às 12h para a grade externa
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-
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Sorocaba
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III.2
RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A
GRADE INT
ERNA
Foram utilizados para a simulação da grade interna dados de reanálises do
Climate Diagnostics Center – NOAA interpolados com dados da estação de
superfície da CETESB, para o mesmo
período de simulação da grade externa.
Na Figura
31
são apresentados o
s valores de concentração de NO (em ppm)
da estação de Sorocaba
(NO_SOR)
e os valores calculados pelo modelo
(NO_UAM)
. Essa grade foi simulada incluindo as emissões de Sorocaba e
Votorantim
,
com
as características das fontes
que
foram apresentadas no capít
ulo
anterior.
Os valores de concentração para as bordas dessa grade foram obtidas a
partir dos valo
res simulados na grade externa.
0
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
NO_UAM
NO_SOR
Figura
31
– Média horária das concentrações de NO (em ppm) da estação de Sorocaba
e calculadas pe
lo UAM
-
V
para
a grade interna.
Na simulação da grade interna o NO calculado para Sorocaba pelo modelo
(figura 31) é praticamente todo originário das emissões locais, pois o NO que
chega a Sorocaba, oriundo de São Paulo, é praticamente quase residual (figur
a
22), em função de sua reatividade. As concentrações de NO calculadas pelo
modelo na grade interna (figura 31) são bem superiores aos valores encontrados
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
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na atmosfera, mesmo considerando as emissões locais como 50% do inventário
da CETESB.
Na Figura 32 são apresentados os valores de concentração de NO
2
(em
ppm) da estação de Sorocaba (
NO_SOR
), e os valores calculados pelo modelo
(NO_UAM
).
Para a
grade
interna as
simula
ções foram realizadas incluindo as
emissões de Sorocaba e Votorantim. As bordas dessa grade foram obtidas a
partir dos valores simulados na grade externa.
Na simulação
para
a grade interna o NO
2
calculado para Sorocaba pelo
modelo
possui duas fontes importantes, a primeira é São Paulo, que possui uma
contribuição significativa para o NO
2
observado em Sorocaba durante esse
evento
, principalmente para o período noturno e para as primeiras horas da
manhã (figura 23),
e
a segunda fonte é a oxidação do NO emitido em superfície
.
0
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
0,18
0,21
NO2_UAM
NO2_SOR
Figura
32
– Média horária das concentrações de NO
2
(em ppm) da estação de Sorocaba
e calculadas pelo UAM
-
V utilizando
para
a grade interna
.
As concentrações de NO
2
calculadas pelo modelo na grade interna, e
apresentadas na Figura 32, são bem superiores aos valores encontrados na
atmosfera. Nessa simulação, as emissões locais de óxidos de nitrogênio foram
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Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
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consideradas como sendo exclusivamente NO. Com isso, os valores de NO
2
apresentados, são resultados basicamente, da oxidação do NO.
Utilizando
-se a grade interna e considerando as emissões locais, o O
3
formado pelo modelo supera as concentrações ambientais nos três últimos dias
da simulação (Figura
33
). O O
3
não é emitido em superfície e sim formado
na
atmosfera pela fotólise do NO
2
.
Em eventos com vento predominante de leste,
como este caso, o O
3
ob
serva
do
é formado tanto pelos compostos precursores
locais quanto pelo transporte de O
3
e precursores de São Paulo e Campinas
.
O
transporte
direto
de O
3
de São Paulo e Campinas é responsável, principalmente,
pela formação de picos noturnos de O
3
em Sorocaba, ao passo que o transporte
dos precursores é responsável pelo incremento no valor da concentração máxima
em Sorocaba (figura 33)
.
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
O3_UAM
O3_SOR
Figura
33
– Média horária das concentrações de O
3
(em ppm) da estação de Sorocaba
e calculadas p
elo UAM
-
V
para
a grade interna.
Os municípios de Sorocaba e Votorantim estão no centro da grade utilizada
nas Figuras 34 à 39. Nessa simulação fica evidente o transporte significativo dos
poluentes de São Paulo e Campinas para Sorocaba, pela borda da grade, porém,
também fica evidente que as emissões locais não são desprezíveis para o
resultado final
de concentração
do ozônio.
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Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
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Figura
34
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 05/set/2004 às 15h para a grade interna
Figura
35
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 06/set/2004 às 15h para a grade interna
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Figura
36
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 07/set/2004 às 15h para a grade interna
Figura
37
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 08/set/2004 às 15h para a grade interna
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Figura
38
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 09/set/2004 às 15h para a grade interna
Figura
39
–
Concentração de O
3
(em p
pm) no dia 10/set/2004 às 15h para a grade interna
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IV
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO EVENTO OCORRI
DO
DURANTE OS DIAS
16
-2
0/
1
0/04
Esse evento foi simulado inicialmente no UAM-V utilizando apenas a grade
externa e os dados de concentração de O
3
das estações do Parque do Ibirapuera
e de Paulínia, os dados de NO e NO
2
da estação do Parque do Ibirapuera e os
dados de HCNM da estação de São Caetano, sem a inclusão de fontes de
poluentes
. Com as saídas dessa simulação, foram obtidos os valores de borda
para a grade interna e esse evento foi novamente simulado, agora incluindo as
emissões dos municípios de Sorocaba e Votorantim.
Esse evento foi caracterizado para a cidade de São Paulo
por
, basicamente,
duas ultrapassagens do padrão primário e uma ultrapassagem do nível
de
atenção
, enquanto que para a cidade de Sorocaba apenas uma ultrapassagem do
nível de atenção (Figura
4
0).
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
O3_SOR
O3_SP
Figura
40
– Médias horárias das concentrações de ozônio para as estações automáticas da
CETESB em São Paulo (Ibirapuera
) e Sorocaba (em ppm).
Apresenta
-se a seguir os resultados das simulações para esse período para
a grade externa.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Simulação Computacional do
evento 16
-
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IV
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IV
-2
/14
IV.1
RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A
GRADE EXTERNA
Foram utilizados para a simulação da grade externa dados de reanálises do
Climate Diagnostics Ce
nter
– NOAA, médias diárias dos perfis verticais de
temperatura, umidade absoluta, pressão atmosférica e vento.
O período de simulação foi de seis dias, sendo o instante inicial às 00h do
dia 15/08 e o instante final às 23h do dia 20/08. As 24 horas iniciais da simulação
foram descartadas das análises, pois foram utilizadas para estabilizar o modelo.
Na Figura
41
são apresentados os valores de concentração de NO (em ppm)
da estação de Sorocaba (
NO_SOR
), e os valores calculados pelo modelo
(NO_UAM). Como essa grade foi simulada sem emissões, o NO calculado para
Sorocaba pelo modelo é todo oriundo das concentrações da borda leste (RMSP).
Esse gráfico mostra que o NO emitido por São Paulo não é observado na cidade
de Sorocaba, sendo que
isso
ocorre
u devido à direção predominante do vento
nesse período, que resultou em uma trajetória principal do smog passando a sul
de Sorocaba. Embora uma pequena fração do smog cheg
ue
a
Sorocaba
, essa
fração
não apresenta participação significativa de NO, pois
este
já foi
totalm
ente
oxidado
. Com isso, presume-
se
que as concentrações desse poluente registradas
em Sorocaba são conseqüências exclusivas
das emissões locais.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
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0,04
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0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
NO_UAM
NO_SOR
Figura
41
– Média horária das concentrações de NO (em ppm) da Estação de Sorocaba
e
o resultado do modelo para o mesmo ponto
Na Figura 42 são apresentados os valores de concentração de NO
2
(em
ppm) da estação de Sorocaba (
NO2_SOR
), e os valores calculados pelo modelo
(
NO
2_
UAM
). Como essa grade foi simulada sem emissões, o NO
2
calculado p
ara
Sorocaba pelo modelo é todo oriundo das concentrações da borda leste (RMSP).
Esse gráfico mostra que o NO
2
, tanto emitido por São Paulo, quanto formado no
percurso pela oxidação do NO, não é observado na cidade de Sorocaba, isso
ocorre
u devido à direção predominante do vento, que result
ou
em uma trajetória
principal do smog passando a sul de Sorocaba. Com isso, presume-se que as
concentrações desse poluente registradas em Sorocaba
são
conseqüência direta
da oxidação do NO emitido localmente.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
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0,1
0,12
0,14
0,16
NO2_UAM
NO2_SOR
Figura
42
– Média horária das concentrações de NO
2
(em ppm) da Estação de Sorocaba e os
resultados da simulação com o modelo (NO2_UAM).
Na Figura 43 são apresentados os valores de concentração de O
3
(em ppm)
da estação de Sorocaba (
O3_SOR
), e os valores calculados pelo modelo
(O3
_UAM
). Como essa grade foi simulada sem emissões, o O
3
calculado para
Sorocaba pelo modelo é todo oriundo das concentrações da borda leste (RMSP).
Os valores de O
3
obtidos na simulação são bem inferiores aos
observa
do
s em
Sorocaba
nesse período. Isso ocorreu devido à direção predominante do vento,
que resultou em uma trajetória principal da pluma ao sul de Sorocaba e apenas
uma pequena parte do smog fotoquímico oriundo de São Paulo e Campinas
chegou até Sorocaba
.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
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0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
O3_UAM
O3_SOR
Figura
43
– Média horária das concentrações de O
3
(em ppm) da estação de Sorocaba
e calculadas pelo UAM
-
V utilizando a grade externa.
Sem incluir a emissão de Sorocaba na grade, verifica-se que o modelo não
consegue representar pic
os de ozônio ocorridos nesse período.
Em eventos com vento predominante de nordeste, como este caso, não é
possível observar as condições de qualidade do ar de Sorocaba sendo
controladas pelas condições dos poluentes de São Paulo. Isso ocorre, pois
mesmo
s
endo
a distância entre São Paulo e Sorocaba relativamente pequena, a
trajetória da advecção da pluma não cruza com os municípios de Sorocaba e
Votorantim.
Os municípios de Sorocaba e Votorantim estão no centro da grade utilizada
nas Figuras 44 à
48
. C
onsid
erando o ozônio como traçador do smog fotoquímico,
fica evidente a influência de São Paulo e Campinas nas condições de qualidade
do ar simuladas, mas nesse caso, a pluma transportada não afetou
significativamente a qualidade do ar de Sorocaba
devido
à direção do vento.
Ocorreu
a formação de uma pequena região com altas concentrações de ozônio
a
SE de Sorocaba
.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Simulação Computacional do
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Figura
44
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 16/set/2004 às 12h para a grade externa
Figura
45
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 17/set/2004 às 12h para a grade externa
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Simulação Computacional do
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Figura
46
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 18/set/2004 às 12h para a grade externa
Figura
47
–
Concentração de
O
3
(em ppm) no dia 19/set/2004 às 12h para a grade externa
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Simulação Computacional do
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Figura
48
–
Concentração de O
3
(em ppm) no dia 20/set/2004 às 12h para a grade externa
IV.2
RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A
GRADE INTERNA
Foram utilizados para a simulação da grade interna dados de reanálises do
Climate Diagnostics Center – NOAA interpolados com dados da estação de
superfície da CETESB, para o mesmo período de simulação da grade externa.
Na Figura 49 são apresentados os valores de concentração de NO (em ppm
)
da estação de Sorocaba (NO_SOR) e os valores calculados pelo modelo
(NO_UAM). Essa grade foi simulada incluindo as emissões de Sorocaba e
Votorantim. As bordas dessa grade foram obtidas a partir dos valores simulados
para
a grade externa.
Na simulação da grade interna o NO calculado para Sorocaba pelo modelo
(figura 49) é praticamente todo originário das emissões locais, pois o NO que
chega a Sorocaba, oriundo de São Paulo, é quase residual (figura 41). As
concentrações de NO calculadas pelo modelo na grade interna (figura
49
) são
bem superiores aos valores encontrados na atmosfera, mesmo considerando as
emissões locais como 50% do inventário da CETESB.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
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0
0,04
0,08
0,12
0,16
0,2
0,24
0,28
0,32
NO_UAM
NO_SOR
Figura
49
– Média horária das concentrações de NO (em ppm) da Estação de Sorocaba e
resultado das simulações com o modelo UAM.
Na Figura
50
são apresentados os valores de concentração de NO
2
(em
ppm) da estação de Sorocaba (NO2_SOR), e os valores calculados pelo modelo
(NO2_UAM). Essa grade foi simulada incluindo as emissões de Sorocaba e
Votorantim. As bordas dessa grade foram obtidas a partir dos valores simulados
na grade externa.
Na simulação da grade interna o NO
2
calculado para Sorocaba pelo modelo
possui como principal fonte a emissão local, uma vez que a influência de São
Paulo nesse evento é pequena.
As concentrações de NO
2
calculadas pelo modelo na grade interna, e
apresentadas na Figura 50, são bem superiores aos valores encontrados na
atmosfera. Nessa simulação, as emissões locais foram consideradas como sendo
exclusiva
mente NO. Com isso, os valores de NO
2
apresentados, são resultados
basicamente, da oxidação do NO.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
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0,28
0,32
NO2_UAM
NO2_SOR
Figura
50
– Média horária das concentrações de NO
2
(em ppm) da Estação de Sorocaba e
resultados da simulação com o UAM
.
Utilizand
o-se a grade interna e considerando as emissões locais, o O
3
formado pelo modelo acompanha muito bem as concentrações ambientais
durante todo o período (Figura
51
). O O
3
não é emitido em superfície e sim
formado na atmosfera pela fotólise do NO
2
. Em eventos com
o
este que a
influencia
de fontes remotas é muito pequena o O
3
observado é formado
basicamente pelas emissões locais
.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
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Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
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0,1
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O3_UAM
O3_SOR
Figura
51
– Média horária das concentrações de O
3
(em ppm) da Estação de Sorocaba e
resultado da simulaçã
o com o UAM.
Os municípios de Sorocaba e Votorantim estão no centro da grade utilizada
nas Figuras 52 à 56. Nessa simulação fica evidente que as emissões locais são a
principal fonte do
s
mog nesse evento.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
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Figura
52
–
Concentraç
ão de O
3
(em ppm) no dia 16/set/2004 às 15h para a grade
in
terna
Figura
53
– Concentração de O
3
(em ppm) no dia 17/set/2004 às 15h para a grade
in
terna
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Simulação Computacional do
evento 16
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IV
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13/14
Figura
54
– Concentração de O
3
(em ppm) no dia 18/set/2004 às 15h para a grade
in
terna
Figura
55
– Concentração de O
3
(em ppm) no dia 19/set/2004 às 15h para a grade
in
terna
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Simulação Computacional do
evento 16
-
20/10/2004
IV
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IV
-
14/14
Figura
56
– Concentração de O
3
(em ppm) no dia 20/set/2004 às 15h para a grade
in
terna
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamen
to dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Validação e Análises dos
Resultados
V
Pág.
V-1/4
V
VALIDAÇÃO E ANÁLISES
DOS RESULTADOS
A validação das simulações de ambas as grades consistiu na aplicação de
testes estatísticos para a avaliação da acurácia dos resultados quando
comparados com dados observados. Os testes foram aplicados para as variáveis
NO, NO
2
e O
3
obtidas na estação de Sorocaba. Os métodos utilizados para a
validação das simulações foram descritos em Freitas, 2003
.
Inicialmente foram calculadas as correlações entre as
concentrações
registradas na estação de Sorocaba e as concentrações obtidas pelas simulações
da grade interna e externa para o mesmo ponto da estação de Sorocaba. A
equação da correlação é bastante conhecida e apresentada a seguir
:
yx
xy
yx
r
),
cov(
Sendo x e y referentes à variável medida e simu
lada, respectivamente.
Esse cálculo indica quanto os comportamentos das duas séries são
semelhantes, porém não contabiliza as divergências entre os valores observados
e medidos
.
Para suprir isso foram utilizados três testes complementares
:
Erro médio (ME)
– expressa a diferença entre a média das simulações e a
média das observações e, portanto, o desvio da simulação para toda a série.
oyoy
n
ME
n
k
kk
1
)(
1
Erro médio quadrático (MSE)
–
expressa a acurácia das simulações, pois é a
média quadrática das dif
erenças entre pares de simulações e observações.
n
k
kk
oy
n
MSE
1
2
)(
1
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamen
to dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Validação e Análises dos
Resultados
V
Pág.
V-2/4
Raiz do erro médio quadrático (RMSE
UB
)
(Pielke, 2002; Freitas, 2003)
–
esse
parâmetro expressa a habilidade (
skill
) de uma simulação. Este procedimento
considera a distribuição aproximadamente normal e serve como um complemento
aos outros parâmetros.
2
1
1
2
1
n
k
kk
UB
ooyy
n
RMSE
Segundo Pielke (2002), a habilidade de uma simulação é demonstrada
quando as seguintes condições são satisfeitas:
a)
obssim
;
b)
obs
RMSE
;
c)
obs
UB
RMSE
, sendo
obs
o desvio padrão das observações e
sim
o desvio
das simulações.
Na tabela 6 são apresentados os resultados das estatísticas utilizadas para
avaliar as simulações das grades externa e interna para o período de 05-
10/set/2004. Para as duas grades utilizadas as simulações de NO e NO
2
não
atendem aos critérios de representatividade apresentados e as simulações de O
3
apresentam valores muito próximos aos necessários para atender os critérios de
representatividade.
Embora os critérios de representatividade da simulação de ozônio não
tenham sido totalmente atendidos, os valores ficaram muito próximos aos
necessários,
o que permite realizar algumas considerações sobre as simula
ções e
o episódio. A correlação linear do ozônio para a grade externa é 0,25. Esse valor,
embora baixo, não pode ser desprezado, ainda mais considerando que
representa a influência da emissão de fontes remotas a cerca de 90 km de
distância
, que chegam a Sorocaba em concentrações comparáveis com a própria
emissão local
e com uma
correlação linear
de 25%.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamen
to dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Validação e Análises dos
Resultados
V
Pág.
V-3/4
Tabela
6 –
Estatísticas
de acurácia da modelagem
para o período de 05
-
10/set/2004.
Grade
Externa
(em ppm)
Grade
Interna
(em ppm)
Parâmetro
NO
NO
2
O
3
NO
NO
2
O
3
obs
0,016
0,013
0,028
0,016
0,013
0,028
sim
0,0011
0,0061
0,022
0,053
0,039
0,035
r
xy
0,58
0,27
0,25
0,36
0,21
0,61
ME
0,0065
0,012
0,021
0,032
0,026
0,026
MSE
0,0003
0,0004
0,0013
0,0038
0,0023
0,0021
RMSE
UB
0,036
0,013
0,031
0,049
0,038
0,029
Qu
ando consideradas as emissões locais, a correlação linear da simulação
de ozônio aumentou consideravelmente, apesar dos critérios de
representatividade não terem sido totalmente atendidos, mas os valores estão
mais próximos aos recomendados para a definição de representatividade do
modelo
. A correlação linear do ozônio para a grade
interna
é 0,61. Esse valor
demonstra que embora São Paulo tenha uma grande importância no valor da
concentração final dos poluentes,
é
a emissão local que determina o
comportamen
to das concentrações nesse período
.
Na tabela 7 são apresentados os resultados das estatísticas utilizadas para
avaliar as simulações das grades externa e interna para o período de 16-
20/ago/2004. Para a
grade externa,
as simulações de NO e NO
2
não atendem
aos
critérios de representatividade apresentados
,
assim como a simulaç
ão
de O
3
utilizando a grade externa não atendeu aos critérios de representatividade, ao
passo que a simulação utilizando a grande interna
apresent
ou
valores muito
próximos aos necessári
os para atender os critérios de representatividade.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamen
to dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de
Sorocaba
Validação e Análises dos
Resultados
V
Pág.
V-4/4
Tabela
7 –
Estatísticas
de acurácia da modelagem
para o período de
16
-2
0/
ago
/2004.
Grade
Externa
(em ppm)
Grade
Interna
(em ppm)
Parâmetro
NO
NO
2
O
3
NO
NO
2
O
3
obs
0,031
0,01
7
0,026
0,031
0,017
0,026
sim
0,00006
0,00004
0,0018
0,069
0,053
0,018
r
xy
0,013
0,062
0,69
0,55
0,050
0,72
ME
0,014
0,016
0,016
0,047
0,025
0,019
MSE
0,001
0,0007
0,001
0,0075
0,0031
0,0011
RMSE
UB
0,030
0,017
0,025
0,057
0,055
0,031
Embora a simulação de ozônio com a grade externa não ter atendido aos
critérios de representatividade quando os dados simulados foram
comparado
s
com
as medidas na estação de Sorocaba, isso não implica em uma
desqualificação da simulação, e sim no fato do smog originado em São Paulo ter
sido advectado
em direção a
Sorocaba (figuras
44 a 48).
Quando consideradas as emissões locais, a correlação linear da simulação
de ozônio
obtida
foi a maior de todas as simulações. Os critérios de
representatividade não foram totalmente atendidos, mas
os
valores
ficaram
muito
próximos aos necessários. A correlação linear do ozônio para a grade interna é
0,
72
. Esse valor demonstra que nesse caso São Paulo não teve uma grande
importância
na formação do smog fotoquímico de Sorocaba e que as e
missões
locais, aliada as condições atmosféricas ocasionaram
esse episódio
.
A partir das tabelas 6 e 7 e das figuras 31, 32, 41 e 42
verifica
-se que o
modelo não possui uma boa descrição da química dos compostos nitrogenados,
apresentando resultados signif
icativamente diferentes dos esperados. A descrição
da química do ozônio é consideravelmente melhor, apresentando resultados mais
consistentes.
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfe
ra de
Sorocaba
Conclusões
VI
Pág.
VI
-1
/3
VI
CONCLUSÕES
E PERSPECTIVAS
O objetivo deste trabalho
foi
o de avaliar o impacto de condições de fronteira
e de fontes locais na produção do ozônio troposférico em uma área urbana. Para
isso foi analisada a cidade de Sorocaba e seu entorno, que apresenta períodos
com concentrações elevadas de ozônio resultado das fontes locais e do
transporte do smog fotoquímico da
Região Metropolitana de São Paulo.
Para esse estudo foi utilizado como ferramenta o modelo UAM-
V
recomendado pela EPA (Environmental Protection Agency) dos Estados Unidos,
que entre várias características permite o uso de grades aninhadas o que
possibilit
ou o tratamento do impacto das emissões da RMSP sobre Sorocaba, de
uma forma simplificada. A descrição das condições de fronteira do UAM é uma
das principais qualidades do modelo. Esse sistema permite que estruturas
complexas como a RMSP, sejam descritas na borda da grade utilizando para isso
as concentrações das medidas ambientais.
O modelo utilizado nesse estudo apresenta muitas
outras
características
positivas,
podendo
-se destacar a principal delas é a metodologia utilizada para o
agrupamento dos hidroca
rbonetos
(hydrocarbons
lump
ing
). O CB-TOX agrupa os
hidrocarbonetos de acordo com as ligações carbônicas, o que possibilitou a
representação das emissões veiculares em diferentes classes de
hidrocarbonetos
.
Embora com perda de acurácia, o modelo se mostrou capaz de reproduzir
eventos altamente complexos, como os utilizados nesse estudo, ou seja, eventos
longos e extremamente intensos, com vários dias de muita formação de ozônio.
No evento de setembro fica evidente a contribuição de São Paulo para a
formaçã
o do ozônio troposférico em Sorocaba nesse período. O transporte de
ozônio e seus precursores mostram a formação de uma região de máxima
intensidade de ozônio entre as duas cidades.
O evento de setembro demonstra que a contribuição de São Paulo
para
as
co
ncentrações de NO e NO
2
de Sorocaba é bem pequena, pois esses compostos
reagem rapidamente durante o percurso, chegando a Sorocaba apenas uma
pequena fração da emissão de São Paulo. No caso do ozônio, a contribuição é
Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM
-
V na Representação do
Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfe
ra de
Sorocaba
Conclusões
VI
Pág.
VI
-2
/3
significativa, pois ele é formado durante o trajeto e acumulado devido às reações
dos
compostos orgânicos voláteis
e NO
X
.
O evento de agosto mostra que Sorocaba por si só possui um potencial
significativo para formação de ozônio, pois mesmo em eventos que não possuem
a contribuição de São Pau
lo, ocorre a formação e acúmulo de ozônio troposférico.
Embora a capacidade desse modelo de reproduzir eventos de formação de
ozônio seja razoável, a descrição da química dos compostos nitrogenados deixa
muito a desejar. Nos dois episódios simulados e com ambas as grades, as
concentrações de NO e NO
2
obtidas ficaram muito diferentes das encontradas
nas medidas ambientais. A simulação para esses dois poluentes não pode ser
considerada válida.
Esse estudo enfrentou uma série de dificuldades significativas que precisam
ser resolvidas para melhorar a capacidade de realização de estudos
computacionais de qualidade do ar em São Paulo. A principal delas é a falta de
um número maior de estações meteorológicas e de qualidade do ar
,
o
que
compromete seriamente a qualidade de estudos desse tipo, pois a descrição
espacial
do evento fornecida pelo modelo fica praticamente impossível de ser
verificada.
A ausência de uma estação de medida de HCNM em Sorocaba e a alta
irregularidade no funcionamento da estação de São Caetano (que possui um
monitor de HCNM em São Paulo) foram duas fontes significativas de erro para a
simulação.
Pode-se ressaltar que a realização de simulações a partir de 2005
ficou ainda mais imprecisa, pois não há mais monitores contínuos de
hidrocarbonetos nas estações de qualidade do ar da CETESB. Outro fator que
compromete a qualidade dos dados é a imprecisão no inventário de emissões
para a RMSP e os outros municípios do Estado.
Uma dificuldade importante é a determinação da estrutura vertical que ficou
mu
ito
aquém do
necessário
. A falta de radiossondagens de ozônio para a RMSP
e para as cidades do interior obriga a utilização de premissas, tais como, estrutura
vertical constante, que não são boas. Além disso, a resolução vertical do modelo,
de
apenas oito camadas, é muito baixa para simulações desse tipo. A falta de
mais estudos para determinar com maior acurácia e precisão a composição dos
hidrocarbonetos existentes na atmosfera das regiões urbanas do estado de São
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Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfe
ra de
Sorocaba
Conclusões
VI
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-3
/3
Paulo é outro fator inerente às imprecisões das simulações desse tipo, pois a
composição dos compostos orgânicos voláteis atua de forma totalmente não-
linear na
taxa de reação
de formação do ozônio.
A ausência de uma estrutura SIG (Sistema de Informações Geográficas) e
de entradas e saídas netcdf
dificultam uma implantação rápida desse modelo para
estudos com alta resolução espacial, a sua conexão com os modelos
meteorológicos
e com os bancos de dados mundiais, bem como a sua viabilidade
como instrumento operacional em projetos de avaliação de impacto ambiental por
ozônio
.
A utilização de modelos que contenham opções para descrição adequada
das condições de contorno se mostrou essencial para simulações de poluentes
em regiões que sofrem influencias significativas de transporte de áreas com
grandes
concentrações de poluentes.
Como perspectivas de trabalhos futuros, podemos citar:
- A necessidade de experimentos de monitoramento ambiental de ozônio e
seus precursores;
-
A necessidade de melhor representação das fontes móveis;
- A necessidade de melhor representação das fontes estacionárias
distribuídas no Estado de São Paulo.
- A necessidade do
envolv
imento da Região metropolitana de são Paulo e
outras áreas metropolitanas do estado
em estudos de poluição do ar
.
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