Desarrollo del modelo EMICAT2000 para la estimación de emisiones de contaminantes del aire en Cataluña y su uso en modelos de dispersión fotoquímica
Authors:   , Parra Narváez René Rolando 
Published: October 2023

En Cataluña se presentan episodios de contaminación por ozono troposférico, especialmente en verano. El complejo comportamiento del ozono, su interacción con la atmósfera y sus efectos sobre la calidad del aire, pueden ser analizados con un Modelo de Transporte Químico (MTQ). Los inventarios de emisiones proporcionan la distribución espacial y temporal de los precursores de ozono (NOx, COV) y de otros contaminantes que requiere un MTQ. <br/><br/>EMICAT2000 es un modelo de alta resolución espacial (1 km2) y temporal (1 hora) desarrollado en un entorno SIG, para la obtención de inventarios de emisiones de Cataluña durante el año 2000. Incluye a los principales contaminantes primarios (NOx, COV, CO, SO2 y PST) y gases de efecto invernadero (CO2, CH4 y N2O). EMICAT2000 integra las emisiones diarias, mensuales y anual; permitiendo su uso tanto con fines de política ambiental o modelización fotoquímica.<br/><br/>Incluye las emisiones de la vegetación, tráfico vehicular, industrias y las producidas por el consumo de combustibles fósiles y disolventes en los sectores doméstico y comercial. <br/><br/>El modelo de emisiones de COV provenientes de la vegetación (isopreno, monoterpenos, otros COV) utiliza el algoritmo de Guenther et al. (1993), adaptado para considerar el particular comportamiento emisor de ciertas especies mediterráneas. Incorpora factores de emisión, definidos mediante la selección exhaustiva de factores de emisión de las especies vegetales más importantes. <br/><br/>El modelo de tráfico incluye las emisiones en caliente, en frío y evaporativas; mediante una red digital de las autopistas y de las más importantes carreteras y vías urbanas (con intensidades medias de tráfico mayores a 3000 vehículos). EMICAT2000 utiliza como base el método y los factores de emisión del modelo EMEP/CORINAIR-COPERTIII, e incorpora perfiles de tráfico mensuales, diarios y horarios; diferenciando el parque automotor circulante para días laborables y festivos.<br/><br/>Las emisiones industriales incluyen registros reales de emisión de chimeneas conectadas a la Xarxa de control d'emissions (XEAC) del Departament de Medi Ambient; así como las emisiones estimadas de las centrales eléctricas, cementeras, refinerías, plantas de olefinas, industrias del sector químico e incineradoras, principalmente.<br/><br/>Estas fuentes definen la configuración espacial y temporal de las emisiones. La potencial agregación de otras fuentes aportará información a nivel de detalle.<br/><br/>En el período anual las emisiones estimadas en Cataluña son: 107 kt a-1 de NOx, 137 kt a-1 de NMCOV, 267 kt a-1 de CO, 65 kt a-1 de SO2, 24 kt a-1 de PST y 32 175 kt a-1 de CO2 equivalente. Las principales fuentes de NOx son el tráfico (58%) y la industria (38%). Las principales fuentes de NMCOV son el tráfico (36%), la vegetación (34%), industrias (17%) y uso de disolventes (13%). <br/><br/>La especiación de las emisiones corresponde a las categorías del mecanismo Carbon Bond 4, que EMICAT2000 organiza con diferente resolución espacial (1, 2, 4 y 8 km2) de acuerdo al interfaz netCDF para su uso en un MTQ de tercera generación (Models-3/CMAQ). En un día laborable de agosto, el 80 % de las emisiones de NMCOV corresponde a la categoría PAR (enlace parafínico), que es poco reactiva, en tanto que las emisiones de la categoría ISOP (isopreno), representa solamente el 1 %, siendo la más reactiva.<br/><br/>El análisis de incertidumbre comprende criterios de tipo interno y externo. Las emisiones más importantes incluyen una evaluación cualitativa de la incertidumbre.<br/><br/>EMICAT2000 fue probado exitosamente en el diagnóstico de varios eventos de contaminación fotoquímica. Es la base potencial el análisis del efecto fin de semana, o el pronóstico de la calidad del aire de Cataluña, bajo diferentes escenarios. Es una herramienta que en materia de emisiones proporciona total libertad, flexibilidad y control, pudiendo ser fácilmente explotado en otras regiones de similares características.
Photochemical pollution episodes by ozone take place in Catalonia, mainly during the summertime. The complex ozone behaviour, its interactions with the atmosphere and the effects on air quality could be understood by modelling, using a Chemical Transport Model (CTM). Emission inventories provide the information of the spatial and temporal emissions distribution of the ozone precursors and other pollutants required by this kind of approach.<br/><br/>EMICAT2000 is an emission model with high spatial (cells of 1 km2) and temporal (1 hour) resolutions, which was developed into a GIS environment to estimate the emissions from Catalonia during the year 2000. It includes the most important primary air pollutants (NOx, NMVOCs, CO, SO2 and TSP) and greenhouse gases (CO2, CH4 and N2O). EMICAT2000 integrates daily, monthly and yearly emissions, providing information both for environmental policy and photochemical modelling.<br/><br/>This model includes the emissions from vegetation, on-road traffic, industries and emissions by fossil fuel consumption and domestic-commercial solvent use. <br/><br/>The NMVOCs emission model from vegetation (isoprene, monoterpenes and other NMVOCs) uses the algorithm by Guenther et al. (1993), suited and adapted for describing the particular emitter behaviour of some Mediterranean species. Emission factors by land-use categories were defined, as result of an exhaustive selection of emission factors of the most important vegetal species. A vast database of hourly records of superficial temperature and solar radiation was incorporated.<br/><br/>The on-road traffic emission model includes the hot exhaust, cold exhaust and evaporative emissions, using a digital map of the all the highways and the most important roads and streets (daily average traffic > 3000). EMICAT2000 uses the method and emission factors of the European model EMEP/CORINAIR - COPERTIII as basis, and includes monthly, daily and hourly traffic profiles; differencing the vehicle park composition between weekdays and weekends.<br/><br/>Industrial emissions include real records of chimneys connected to the emission control net of the Environmental Agency of Catalonia, and the estimated emissions from power stations, cement factories, refineries, olefins plants, chemical industries and incinerators. <br/><br/>The sources included define the spatial and temporal configuration of emissions. The potential aggregation of other sources will contribute mainly in details.<br/>In the yearly period total emissions from Catalonia were estimated in 107 kt yr-1 of NOx, 137 kt yr-1 of NMVOCs, 267 kt yr-1 of CO, 65 kt yr-1 of SO2, 24 kt yr-1 of TSP and 32,175 kt yr-1 of equivalent CO2. Main NOx sources are on-road traffic (58%) and industries (38%). Most important NMVOCs sources are on-road traffic (36%), vegetation (34%), industries (17%) and use of solvents (13%). <br/><br/>Speciation of hourly emissions was established according to the categories of Carbon Bond 4 chemical mechanism. EMICAT2000 generates data files with different spatial resolutions (1, 2, 4 and 8 km2) using the netCDF protocol for the Models-3/CMAQ. According to the categories of the Carbon Bond 4 mechanism, during an August weekday 80% of the NMVOCs emissions belongs to the PAR (paraffins bond) category, which is low reactive; whereas emissions of ISOP (isoprene) category reaches only 1%, being this lumped-species the most reactive.<br/><br/>Uncertainty analysis includes both internal (error propagation) and external (comparison with other estimations, photochemical modelling) criteria for model's evaluation. The most important sources include a qualitative assessment of uncertainty.<br/><br/>EMICAT2000 was successfully tested diagnosing some photochemical events. It could be the basis for research activities related with the Weekend Effect or the forecasting of air quality in Catalonia under different scenarios. This tool provides total control, freedom and flexibility on the emission topic. Successful results are currently being obtained using the emission inventories provided by EMICAT2000. In addition, it could be easily applied and exploited for other regions with similar characteristics.