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O sistema de modelos

O sistema de previsão da qualidade do ar integra o modelo meteorológico de mesoscala WRF, o modelo químico de transporte CHIMERE, e um conjunto de pre e pós processadores de dados de entrada e saída nos modelos (Monteiro et al., 2005).

O modelo meteorológico WRF (Weather Research and Forecasting), do National Center for Atmospheric Research (Skamarock e Klemp, 2008), já amplamente usado e testado em todo o mundo, permite obter a previsão dos parâmetros meteorológicos necessários à simulação numérica da qualidade do ar (componentes do vento, temperatura, humidade específica, pressão superficial, fluxos de calor, velocidade tangencial e razão de mistura) a partir dos dados de previsão global AVN/NCEP.

Relativamente ao modelo CHIMERE (Schmidt et al., 2001; Bessagnet et al., 2004; Menut et al., 2013), este, tal como todos os modelos químicos de transporte, destinados à modelação do transporte e transformação química dos poluentes, simula os campos de concentração e deposição de poluentes, tendo por base a solução Euleriana da equação da continuidade, recorrendo a um conjunto de pré e pós-processadores de dados de entrada e saída. Os dados de entrada necessários compreendem informação meteorológica, fornecida pelo modelo meteorológico de prognóstico WRF, dados detalhados de emissões (espacial e temporalmente) e a caracterização geomorfológica da região de análise (topografia e uso do solo). Na Figura 1 apresenta-se um esquema simplificado do sistema de modelos descrito.

 

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Figura 1. Esquema de funcionamento do sistema de modelos WRF-CHIMERE da previsão da qualidade do ar para Portugal Continental.

 

Trata-se de um modelo disponível à comunidade científica, permitindo futuros desenvolvimentos e aplicações que visem melhorar o seu desempenho. A versão do modelo utilizada tem vindo a sofrer actualizações, sendo a actualmente instalada a versão 2014b. Para mais informação consultar: www.lmd.polytechnique.fr/chimere.

O sistema de previsão foi desenvolvido de forma a efectuar simulações em tempo real e fornecer previsões para 2 dias.

O sistema de modelos foi aplicado utilizando a técnica de nesting unidireccional: é efectuada uma primeira simulação à escala continental (com uma resolução de malha de 125x125 km2; seguida de uma simulação à escala da Península Ibérica (com resolução de 25x25 km2); e finalmente é efectuado uma simulação de alta resolução para o domínio de Portugal, com um espaçamento de malha de 5x5 km2 (Figura 2).

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Figura 2. Domínios usados para a previsão da qualidade do ar para Portugal.

 

O modelo químico de transporte CHIMERE usa a mesma abordagem física para as duas simulações: 8 níveis verticais sobre a topografia, o primeiro (nível superficial) com uma altura de 50 m. O topo do domínio do modelo é estabelecido aos 500 hPa.

A simulação à escala continental (C125) considera como condições fronteira laterais e de topo, os dados mensais de concentração de espécies químicas fornecidos pelo modelo climatológico GOCART (Horowitz et al., 2003). As condições fronteira consideradas nos domínios de menor escala (IP25 e PT5) são as concentrações obtidas nas simulações do domínio maior, continuando, no entanto, as condições na fronteira de topo a serem igualmente as fornecidas pelos modelos globais climatológicos GOCART.

Relativamente aos dados de emissões, são usados, nas simulações à escala europeia (C125) e peninsular (IP25), o inventário de emissões EMEP (www.emep.int). Para o domínio de Portugal Continental, é usado o inventário INERPA mais recente, desagregado espacialmente para a resolução de 5x5 km2 com base em metodologia descrita por Monteiro et al. (2007). Este inventário inclui todas as emissões antropogénicas, desgregadas por sector SNAP (Selected Nomenclature for Sources of Air Pollution).

Em relação às emissões biogénicas, o modelo considera emissões de isopreno e terpenos, estimadas pelo próprio modelo CHIMERE com base na metodologia descrita em Schmidt et al. (2001) e Stohl et al. (1996).

Um dos últimos desenvolvimentos efetuados no sistema de previsão compreendeu a incorporação de um módulo de prognóstico de dispersão das poeiras resultantes da erosão dos desertos do Norte de África. O módulo CHIMERE-DUST permite simular campos 3D de concentração de partículas minerais na troposfera, tendo em conta os principais processos que interferem no seu ciclo de vida: emissões (intrusão, por ação do vento, de partículas erodidas na atmosfera), transporte (difusão horizontal e vertical, adveção) e deposição (por vias seca e húmida). As emissões de poeiras do deserto são calculadas com base na metodologia descrita em Menut et al. (2013). Os parâmetros necessários para o cálculo das emissões de poeiras incluem informações referentes a características do solo, tais como, a composição, a erodibilidade e o comprimento de rugosidade e, a velocidade do vento a 10 m.

Referências

BESSAGNET, B., HODZIC, A., VAUTARD, R., BEEKMANN, M., CHEINET, S., HONORÉ, C., LIOUSSE, C., ROUIL, L. (2004). Aerosol modelling with CHIMERE – Preliminary evaluation at the continental scale. Atmospheric Environment 38, 2803-2817. DOI:10.1016/j.atmosenv.2004.02.034.

MENUT, L., BESSAGNET, B., KHVOROSTYANOV, D., BEEKMANN, M., BLOND, N., COLETTE, A., COLL, I., CURCI, G., FORET, G., HODZIC, A., MAILLER, S., MELEUX, F., MONGE, J.-L., PISON, I., SIOUR, G., TURQUETY, S., VALARI, M., VAUTARD, R., VIVANCO, M.G. (2013). CHIMERE 2013: a model for regional atmospheric composition modelling. Geoscientific Model Development 6, 981-1028. DOI:10.5194/gmd-6-981-2013.

MONTEIRO, A., VAUTARD, R., LOPES, M., MIRANDA, A., BORREGO, C. (2005). Air pollution forecast in Portugal: a demand from the new air quality framework directive. International Journal of Environmental and Pollution 25, 2, 4-15. DOI:10.1504/IJEP.2005.007650.

MONTEIRO, A., BORREGO, C., MIRANDA, A.I., GOIS, V., TORRES, P., PEREZ, A.T. Can air quality modelling improve emission inventories? In 6th Int. Conference of Urban Air Quality 2007 (UAQ), 27-30 Março 2007, Limassol, Cyprus – Proceedings of International Conference on Urban Air Quality. DOI:10.1029/2000JD900794. 

 

SCHMIDT, H., DEROGNAT, C., VAUTARD, R., BEEKMANN, M. (2001). A comparison of simulated and observed ozone mixing ratios for the summer of 1998 in Western Europe. Atmospheric Environment 35, 6277-6297. DOI:10.1016/S1352-2310(01)00451-4.

SKAMAROCK, W.C., KLEMP, J.B., DUDHIA, J., GILL, D.O., BARKER, D.M., HUANG, X.Y., WANG, W., POWERS, J.G. (2008). A description of the advanced research WRF - version 3.

STOHL, A., WILLIAMS, E., WOTAWA, G., KROMP-KOLB, H. (1996). A European inventory for soil nitric oxide emissions and the effect of these emissions on the photochemical formation of ozone. Atmospheric Environment 30, 3741-3755. DOI:10.1016/1352-2310(96)00104-5.