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Modelización de la composición de la atmósfera

AEMET ha implementado el modelo de transporte químico MOCAGE para suministrar predicciones de la calidad del aire y un servicio de apoyo en situaciones de emergencias medioambientales. Estas actividades se complementan con la participación en proyectos internacionales de I+D en los que desarrolla actividades enfocadas a la comprensión de los fenómenos de contaminación que nos afectan y a la mejora de su simulación por los modelos de composición de la atmósfera.

El modelo MOCAGE

AEMET mantiene una colaboración para las actividades de investigación sobre predicción del tiempo químico y transporte y dispersión de contaminantes con el Servicio Meteorológico francés (Météo-France), basadas en la utilización del modelo MOCAGE desarrollado por esta institución. Este modelo es empleado también por AEMET para suministrar predicciones operativas de calidad del aire y transporte y dispersión de contaminantes.

MOCAGE es un modelo de transporte químico tridimensional multi-escala que proporciona simulaciones numéricas de las interacciones entre los procesos dinámicos, físicos y químicos en la atmósfera (troposfera y baja estratosfera). Simula la evolución de las especies químicas debido a los fenómenos de transporte (advección, difusión turbulenta y convección), a las transformaciones químicas que puedan sufrir y a su eliminación por mecanismos de deposición seca y húmeda o por decaimiento radiactivo. MOCAGE también funciona como un modelo de dispersión capaz de simular la evolución de un contaminante pasivo o radiactivo emitido accidentalmente a la atmósfera.

Dominios regionales euroatlántico y peninsular de la configuración de MOCAGE utilizada en AEMET para la predicción de la calidad del aire
Dominios regionales euroatlántico y peninsular de la configuración de MOCAGE utilizada en AEMET para la predicción de la calidad del aire

El modelo MOCAGE es un modelo global que permite 3 niveles de anidamiento en ambos sentidos. La resolución horizontal y el área de cada dominio interior de las versiones instaladas en AEMET dependen de su aplicación (para la predicción de la calidad del aire o para dispersión). El modelo resuelve la atmósfera en 47 niveles verticales híbridos hasta aproximadamente 60km. En AEMET se ejecuta en modo offline forzado por los campos de análisis y predicciones de los modelos numéricos meteorológicos operativos: en el dominio global proceden del modelo del Centro Europeo de Predicción a Plazo Medio (CEPPM), y en los interiores de los modelos HIRLAM operativos en AEMET de diferente resolución horizontal.

 

Modelo de dispersión para situaciones de emergencia

Una de las configuraciones del modelo MOCAGE implementadas en AEMET es el modo accidente. En este caso el módulo de química del modelo no está activado y funciona como un modelo de dispersión. AEMET ha puesto en funcionamiento esta configuración para suministrar información fiable a las autoridades españolas en el caso de una emergencia química o nuclear y contribuir a una respuesta rápida y eficaz.

Para estos casos, las versiones del modelo instaladas pueden ejecutarse hasta resoluciones de 0.1ºx0.1º y 0.05ºx0.05º si la emisión accidental a la atmósfera ocurre sobre la península Ibérica y Baleares, o Canarias, respectivamente. El modelo MOCAGE en modo accidente se ejecuta diariamente en AEMET de forma preventiva sobre las ubicaciones de las instalaciones nucleares españolas, para comprobar su funcionamiento en caso de que fuera necesario.

Ejercicio de simulación de dispersión de una nube radiactiva
Ejercicio de simulación de dispersión de una nube radiactiva

También desde el año 2010, MOCAGE se ha utilizado experimentalmente en AEMET para simular la evolución de la pluma de cenizas  tras la emisión del volcán islandés Eyjafjalla, la dispersión de la nube radiactiva producida por el accidente nuclear de Fukushima (Japón), y en ejercicios diarios de simulación de una erupción en la isla de El Hierro. A pesar de las incertidumbres sobre las características de estas emisiones, las limitaciones del propio modelo, y las dificultades para la verificación de este tipo de fenómenos, la comparación de los experimentos realizados frente a observaciones in-situ y procedentes de satélite muestra que las previsiones del modelo fueron cualitativamente bastante realistas. En la figura se puede apreciar  la simulación de la nube radiactiva debida a la emisión provocada por el accidente de la central de Fukushima. También se ha dibujado la posición de las estaciones de la red internacional para detectar los efectos producidos por una central nuclear  de la CTBTO (Comisión Preparatoria para la Organización del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares). Los círculos amarillos señalan las que detectaron actividad.

 

Simulación de MOCAGE de la dispersión de la nube radioactiva producida por la central nuclear de Fukushima
Simulación de MOCAGE de la dispersión de la nube radioactiva producida por la central nuclear de Fukushima

Météo-France es uno de los Centros oficiales de Avisos de Cenizas Volcánicas para la navegación aérea establecidos a nivel mundial por el Organismo de Aviación Civil Internacional (OACI) y la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y utiliza el modelo MOCAGE para esta misión, así como para elaborar y distribuir información basada en productos de modelización en los casos en que se produzcan emergencias medioambientales que tengan implicaciones transfronterizas, en su calidad  de Centro Meteorológico Regional Especializado de la OMM.

 

Predicción de la calidad del aire

El sistema para la predicción de la calidad del aire que AEMET está poniendo en funcionamiento se basa en una configuración de MOCAGE con un modelo global a 2ºx2º de resolución en el que se encuentran anidados de forma consecutiva dos dominios a 0.5ºx0.5º y 0.1ºx0.1º sobre un área euroatlántica y otra peninsular respectivamente. El conjunto de emisiones antropogénicas procede de los inventarios del IPCC  (a nivel global), del Programa EMEP (a nivel regional) y el creado recientemente para el territorio europeo en el seno del proyecto GEMS del 7º Programa Marco de la Unión Europea de alrededor de 7km de resolución (TNO).

Emisiones antropogénicas de NOx procedentes del tráfico por carretera
Emisiones antropogénicas de NOx procedentes del tráfico por carretera

El esquema químico (RACMOBUS) tiene en cuenta 119 especies y 372 reacciones químicas que ocurren en la estratosfera y en la troposfera. Entre las especies químicas que se predicen están los óxidos de nitrógeno, el ozono, el monóxido de carbono y el dióxido de azufre. Al ser un modelo troposférico y estratosférico se pronostica el contenido total de ozono en columna y el índice ultravioleta, tanto en situaciones de cielo despejado como nuboso.

Junto con el modelo MOCAGE se ha desarrollado y puesto en funcionamiento un sistema de verificación objetiva de las predicciones de las distintas especies químicas utilizando los datos de observación tomados en las estaciones de la red de contaminación de fondo EMEP/VAG/CAMP de AEMET.

Proyecto MACC
Proyecto MACC

Proyecto MACC

El programa europeo para la vigilancia mundial del medio ambiente y la seguridad (GMES) está desarrollando el núcleo de su servicio atmosférico desde hace varios años a través de sucesivos proyectos de I+D liderados por el Centro Europeo de Predicción a Plazo Medio y financiados por el 7º Programa Marco de la Unión Europea: GEMS, MACC y MACCII. AEMET ha colaborado con el proyecto GEMS, ha estado participando en el proyecto MACC y lo seguirá haciendo en MACCII a partir del año 2012.

Uno de los subproyectos de GEMS, MACC y MACCII consiste en la puesta en funcionamiento de un sistema de predicción por conjuntos(Ensemble) multimodelo a escala europea que  permita muestrear las incertidumbres de las predicciones de calidad del aire de los modelos regionales.

Predicciones de NO2 experimentales anidadas en MOCAGE (izquierda) y con condiciones de contorno del Ensemble de MACC (derecha)
Predicciones de NO2 experimentales anidadas en MOCAGE (izquierda) y con condiciones de contorno del Ensemble de MACC (derecha)

Los modelos de transporte químico regionales presentan dificultades para simular los fenómenos de contaminación fotoquímica que ocurren en la cuenca del Mediterráneo y sur de Europa. Por ello, dentro de MACC, se decidió investigar si el uso de modelos de alta resolución (5 km o mayor) puede contribuir a mejorar los modelos de predicción de tiempo químico en estas zonas. Entre las actividades llevadas a cabo por AEMET en MACC están los desarrollos relativos a la puesta en funcionamiento del sistema MOCAGE para que funcione como un modelo de área limitada en alta resolución (0.05ºx0.05º) forzado por los campos químicos del Ensembleeuropeo. Con este sistema se están realizando experimentos que contribuyan a la comprensión y mejora de la simulación de los fenómenos de contaminación que afectan muy especialmente a nuestro país. Las observaciones de la red de contaminación de fondo EMEP/VAG/CAMP están siendo utilizadas en estos proyectos para la validación de los modelos regionales de calidad del aire  participantes, el Ensemble, y los experimentos de mayor resolución que lleva a cabo AEMET.

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