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Título: Formação e transporte de material particulado na Região Metropolitana da Grande Vitória/ES: utilização e avaliação do desempenho do modelo CMAQ
Autor(es): Santiago, Alexandre Magalhães
Orientador: Albuquerque, Taciana Toledo de Almeida
Reis Junior, Neyval Costa
Palavras-chave: Material particulado
Campanha experimental
Política de controle de emissões
CMAQ
Modelagem numérica
Data do documento: 2015
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Este trabalho teve como principal objetivo avaliar a formação e o transporte de Material Particulado na Região Metropolitana da Grande Vitória (RMGV) utilizando o The Models-3 Community Multiscale Air Quality Modeling System (CMAQ). Em particular, investigou-se a resposta de material particulado a mudanças nas fontes de emissões veiculares e industriais. No inverno de 2012 (de 22 a 31 de julho) foi realizada uma campanha experimental utilizando o LIDAR para caracterizar o comportamento da Camada Limite Atmosférica (CLA) e o SODAR para medir a estrutura vertical da atmosfera na RMGV. Também foram utilizados dados coletados pelas estações meteorológicas e de qualidade do ar da região para validação dos resultados numéricos. Os campos meteorológicos tridimensionais foram modelados utilizando o modelo meteorológico Weather Research and Forecasting (WRF) na versão 3.4.1 durante o período de 15 a 31 de julho de 2012. Fez-se uso de quatro domínios aninhados com resolução de grade 27 quilômetros (70 × 70 células), 9 km (100 x 100 células), 3 km (100 x 100 células), 1 km (células 120 x 120) e todos com 21 níveis verticais. Para as simulações com o CMAQ, utilizou-se e domínio com resolução de 1 km com corte para 79 x 61 células, o qual abrange as cidades de Cariacica, Laranjeiras, Serra, Viana, Vila Velha e Vitória. As simulações com o modelo CMAQ foram realizadas de 22 de julho a 31 de 2012 (240 horas). O modelo SMOKE foi aplicado para construir um inventário de emissões, espacialmente e temporalmente resolvido para RMGV utilizando o inventário de emissões oficial do Estado. As simulações de qualidade do ar utilizaram concentrações medidas como as condições iniciais e de fronteira. Foram utilizadas as opções AERO4 e Carbon Bond V disponíveis na versão 4.6 do modelo CMAQ para descrição dos processos de aerossol, química da fase aquosa e gasosa. Três diferentes cenários foram simulados: considerando o atual inventário de emissões (caso base), considerando a exclusão de fontes de emissões veiculares (cenário 1) e considerando a exclusão das emissões industriais (cenário 2). Os resultados apontam valores máximos de concentração de partículas sobre a Ponta de Tubarão devido à concentração industrial, entretanto, observa-se claramente a influência veicular na região. Observou-se uma queda na concentração de MP10 em relação ao caso base e nos dois cenários de redução de emissão, 85 % e 24 % para Laranjeiras, 82 % e 25 % para Enseada e 89 % e 23% para Cariacica, sem a presença de emissões veiculares e sem a presença de emissões industriais, respectivamente. Observou-se uma queda na concentração de MP2,5 em relação ao caso base foi de aproximadamente 75,4 % e 19,4 % para Laranjeiras, 74,5 % e 19,9 % para Enseada e 79,1 % e 7,8% para Cariacica, sem a presença de emissões veiculares e sem a presença de emissões industrias, respectivamente. Os resultados simulados mostraram que a fração carbonácea no material particulado da RMGV é de aproximadamente 60 % da massa total de MP10, logo os cenários simulados de supressão das principais fontes da região, causaram maiores impactos na concentração de carbono orgânico e elementar do que nas concentrações de sulfato, nitrato e amônio as quais eram muito pequenas no caso base e permaneceram sem alterações significativas. Estes resultados reforçam a necessidade de atualizar o inventario de fontes de emissão da RMGV, o qual considera a fonte veicular como principal fonte de MP na região. Políticas de controle de concentração de MP devem considerar o papel de aerossóis orgânicos e do carbono elementar, visto que estes correspondem a maior fração da massa total do MP10.
This study aimed to evaluate the formation and transport of particulate matter in the Metropolitan Area of Greater Vitória (RMGV) using The Models-3 Community Multiscale Air Quality Modeling System (CMAQ). In particular, it was investigated how particulate material respond to changes in vehicle and industrial sources emission. During winter 2012 (22-31 of July) an experimental campaign was conducted with a LIDAR to characterize the behavior of Atmospheric Boundary Layer (CLA) and a SODAR to measure the vertical structure of the atmosphere in RMGV. Also data collected by weather and air quality stations in the region were used to validate the numerical results. Three-dimensional meteorological fields were modeled using meteorological model Weather Research and Forecasting (WRF) in version 3.4.1 during the period 15-31 July 2012. There was four scenarios with nested grid resolution of 27 kilometers (70 × 70 cells), 9 km (100 x 100 cells), 3 km (100 x 100 cells), 1 km (120 x 120 cells) and all with 21 vertical levels. For the simulations with the CMAQ it was used the 1km domain resolution with 79 x 61 cells, which covers the towns of Cariacica, Laranjeiras, Serra, Viana, Vila Velha and Vitória. The simulations with the CMAQ model were conducted from 22nd to 31st July, 2012 (240 hours). The SMOKE model was applied to build an inventory of emissions, spatially and temporally resolved to RMGV using the official state inventory emissions. The air quality simulations used measured concentrations as initial and boundary conditions. AERO4 and Carbon Bond V options available in version 4.6 of CMAQ model were used for description of the aerosol processes, chemistry of aqueous and gaseous phase. Three different scenarios were simulated: considering the current emission inventory (base case), considering the exclusion of sources of vehicle emissions (scenario 1) and considering the exclusion of industrial emissions (scenario 2). The results show maximum values of particle concentration at Ponta de Tubarão due to the industrial zone, however, it was clear the vehicle influence in the region. The PM10 concentration reduced in relation to the base case and the two emission reduction scenarios, 85% and 24% for Laranjeiras, 82% and 25% for Enseada and 89% and 23% for Cariacica, in the absence vehicle emissions and without the presence of industrial emissions, respectively. PM2.5 concentration was reduced, in relation to the base case, to approximately 75.4% and 19.4% for Laranjeiras, 74.5% and 19.9% for Enseada and 79.1% and 7.8% for Cariacica without the presence of vehicle emissions and without the presence of industrial emissions, respectively. Modeled results have shown that the carbonaceous fraction of the RMGV particulate material is approximately 60% of the total mass of MP10, then the modeled scenarios of suppression of major source caused greatest impact on the concentration of organic and elemental carbon concentrations than the sulfate, nitrate and ammonium concentration which were very small in the base case and remained without significant changes. These results reinforce the necessity to update the inventory of emission sources of RMGV, which considers the vehicular source as the main source of MP in the region. Policies control of MP concentration must consider the role of organic aerosols and the elemental carbon, as these represent the largest fraction of the total mass of MP10
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/10323
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