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Timestamp: 2019-10-19 16:53:27+00:00

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Actividades 2º semestre 2006 Evaluación de la Calidad del Aire en España mediante Modelos
Curso E-learning sobre Modelización de la Contaminación Atmosférica
ANEXO I. Inventario de modelos utilizados para calidad del aire
Actividades 2º semestre 2006
Evaluación de la Calidad del Aire en España mediante Modelos
Marta G. Vivanco, Inmaculada Palomino,
Fernando Martín y Blanca Casado
Unidad de Contaminación Atmosférica
Avda. Complutense 22, 28040 Madrid
27 Noviembre 2006 Ref: 09/2006
Validación del modelo CHIMERE
Reevaluación de la calidad del aire para el periodo 2002 a 2004
Detección de estaciones redundantes
ACTIVIDADES SOBRE ARMONIZACIÓN DEL USO DE MODELOS EN ESPAÑA
Avances en nuevos modelos
Inventario de modelos de calidad del aire
PARTICIPACIÓN EN GRUPOS DE TRABAJO, REUNIONES, CONGRESOS Y CONFERENCIAS
Coordinación del Grupo de Trabajo sobre Modelización para el V Seminario de Calidad del Aire en España
Task Force on Hemispheric Transport of Air Pollution, Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution
La Directiva Europea Marco sobre Evaluación y Gestión de la Calidad del Aire Ambiente (1996/62, Diario Oficial n° L 296 de 21/11/1996), en su preámbulo se refiere al “uso de otras técnicas de estimación de la calidad del aire además de las medidas”. En su artículo 2, define como evaluación “cualquier método usado para medir, calcular, predecir o estimar el nivel de un contaminante…”. Posteriormente, en los artículos 4 y 6, establece claramente el modelado matemático como uno de los métodos posibles de uso en la evaluación de la calidad del aire.
La Primera Directiva Hija o Directiva relativa a los valores límites de dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y óxidos de nitrógeno, partículas y plomo en el aire ambiente (1999/30, Diario Oficial n° L 163 de 29/6/1999) ahonda en estos aspectos introduciendo el uso de métodos suplementarios de evaluación (Artículo 6.3) e indicando los objetivos de calidad de los datos obtenidos con modelos, en términos de precisión (Anexo VIII de dicha directiva). Las demás directivas hijas (Directiva 2000/69/CE para benceno y monóxido de carbono, la Directiva 2002/3/CE relativa al ozono, la Directiva 2004/107 relativa al arsénico, cadmio, mercurio, níquel y hidrocarburos aromáticos policíclicos en el aire ambiente) y los reales decretos (1073/2002 y 1796/2003) siguen estas ideas adaptadas a cada contaminante en cuestión.
El papel del modelado de la contaminación atmosférica en las directivas europeas es el siguiente:
Evaluación de la calidad del aire, como complemento de las medidas obtenidas en redes de estaciones.
Diseño de planes y programas para garantizar el cumplimiento de los valores límite de calidad del aire. Los modelos permiten realizar estimaciones sobre la contaminación bajo los diversos escenarios de emisión de contaminantes resultantes de aplicar una u otras medidas de reducción de la contaminación.
Elaboración de predicciones a corto plazo sobre la posible evolución de la situación para poder realizar avisos a la población. Se están desarrollando, y en varios sitios ya están funcionando, sistemas informáticos de predicción y control de la calidad del aire constituidos por modelos adecuados que reciben información de emisión, inmisión y meteorología (redes) para realizar predicciones a unas horas o días vista, lo que permite anticiparse a la eventualidad de altos niveles de contaminación.
Herramienta para conocer de una forma integrada los procesos que tienen lugar en una determinada zona y cómo éstos interaccionan entre sí, o cuáles son los predominantes. Por ejemplo, pueden ser muy útiles en la labor de análisis de episodios de contaminación pudiendo estimar la procedencia o causa de esa contaminación.
La evaluación de la calidad del aire debe cubrir toda la zona a estudiar y no sólo los puntos donde existen estaciones fijas. En la práctica, las medidas se utilizan como una aproximación a este objetivo. Una forma de aumentar la cobertura espacial de la medidas fijas es el uso de medidas indicativas (captadores pasivos, campañas experimentales, etc). La cuestión a resolver es cómo podemos estimar consistentemente la distribución espacial de contaminantes en una zona. Parece evidente que el uso único de medidas llevaría a tener una red muy extensa, lo que resulta realmente muy caro y difícil de conseguir. Por ello, surge la necesidad de utilizar otros métodos complementarios (tal como indica la directiva marco), como pueden ser técnicas de interpolación y modelización. Existen muchas posibilidades de realizar la evaluación de calidad del aire: desde el uso exclusivo de medidas sin ninguna interpretación hasta la aplicación de modelos no validados y sin apoyo de medidas. Entre estos extremos surgen diversas posibilidades mucho más razonables y fiables, que conjugan la precisión de las mediciones y la cobertura espacial de los resultados de los modelos.
En Enero de 2003, se ha firmado un acuerdo de colaboración entre la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental del Ministerio de Medio Ambiente y el Centro de Investigaciones Energéticas, MedioAmbientales y Tecnológicas (CIEMAT) perteneciente al Ministerio de Educación y Ciencia para la evaluación de la calidad del aire en España mediante modelización El alcance de este acuerdo es:
Aplicación de modelos para la evaluación anual de la calidad del aire a escala nacional, en respuesta a los requerimientos de la normativa sobre calidad del aire.
Participación en Grupo de Trabajo sobre Implementación dentro del Programa CAFE (Clean Air for Europe) de la Unión Europea.
Hasta la fecha CIEMAT, ha realizado estudios de modelización para la evaluación de la calidad del aire en España para los años 2002 referentes a SO2 y Pb (Martín et al, 2003), 2003 y 2004 para SO2, CO, Pb y PM10 primario antropogénico (Martín et al, 2004b, Martín et al, 2005). A lo largo de estoas años de vigencia del acuerdo, CIEMAT ha realizado diversas labores de desarrollo, puesta a punto y validación de nuevos modelos; fomento, formación y armonización en la modelización de la contaminación atmosférica en España y participación en grupos de trabajo, congresos y conferencias internacionales (Martín et al, 2004a y Vivanco et al., 2005).
El presente informe pretende dar una visión detallada de las actividades realizadas por CIEMAT en el segundo semestre de 2006 en el marco convenio de colaboración antes indicado.
Como continuación de los trabajos realizados en 2005 (Vivanco et el., 2005 y Martín et al, 2005 y Vivanco et al, 2006), durante el segundo semestre de 2006 se han realizado numerosas simulaciones con el modelo CHIMERE, con objeto de lograr la información necesaria para evaluar la capacidad del modelo de representar los procesos físicos y químicos que afectan a los contaminantes atmosféricos. Este tipo de evaluaciones es importante para determinar si un modelo es adecuado para su uso en la gestión y evaluación de la calidad del aire y, en concreto, como herramienta de predicción niveles de contaminantes en la atmósfera.
Se realizaron simulaciones para los años 2003, 2004 y 2005, en los meses más calurosos del año, de abril a septiembre, época en que se produce mayor formación de ozono debido a la mayor radiación solar.
Debido a la influencia del transporte de contaminantes a larga distancia, el modelo se aplicó previamente a un dominio europeo, de 0.5º x 0.5º grados de resolución, desde 10.5W a 22.5E y desde 35N a 57.5N. A continuación, y con objeto de obtener mejores resultados se ejecutó el modelo sobre un dominio más pequeño centrado sobre la Península Ibérica y de mayor resolución (0.2ºx 0.2º).
Las emisiones fueron obtenidas de los datos EMEP 2003. Por lo tanto, las simulaciones del año 2003, son las únicas que presentan emisiones y meteorología referentes al mismo año, por lo que estas simulaciones son las que disponen de mejores datos de entrada. El reparto temporal de las emisiones EMEP se ha realizado actualizando los perfiles de actividad (uno por cada actividad SNAP) medios europeos con perfiles temporales más ajustados a la realidad española. Estos perfiles se han obtenido de otros trabajos realizados anteriormente por los investigadores de nuestra unidad, especialmente de Palacios (2001) (figura 1). Los perfiles de tráfico (SNAP 7) corresponden a la Ciudad de Zaragoza extraído del procesamiento de contajes de intensidad de tráfico del ayuntamiento para 2004. Esta ciudad puede ser considerada como una ciudad media española.
La meteorología fue obtenida con el modelo MM5, ejecutado para los dos dominios geográficos ya mencionados, y utilizando análisis del modelo global AVN. Las condiciones de contorno (valores de calidad en los extremos de la región modelizada) para el dominio mayor, fueron obtenidas de salidas mensuales del modelo INCA para las concentraciones de gases y del modelo GOCART para las partículas (figura 2).
Los resultados fueron y están siendo analizados desde diversos puntos de vista y considerando diversos parámetros:
Calidad de la modelización en función del tipo de estaciones (mostrado en parte en Vivanco et al., 2006)
Calidad de la modelización en función de la resolución del modelo (mostrado en Vivanco et al., 2006)
Calidad de la modelización en función del contaminante (en Vivanco et al., 2006 se mostró una análisis gráfico para ozono).
Calidad de la modelización para periodos largos y episodios agudos (mostrado en parte en Vivanco et al., 2006)
Influencia sobre los resultados de la utilización o no de emisiones EMEP del mismo año que el año simulado. Este enfoque se está haciendo debido a que con frecuencia, se realizan modelizaciones con datos de emisiones de un año anterior. Incluso para hacer predicciones, será necesario utilizar las emisiones del último año disponible. Para analizar este punto nos centramos en el año 2003, ya que disponemos de las emisiones de 2002 y 2003. Los resultados están siendo actualmente analizados.
Comparación con otros modelos, especialmente para el SO2 (modelo CALPUFF).
Calidad de los resultados en función de la zona geográfica.
Calidad de los resultados en función de la época del año y de la meteorología.
Figura1. Perfiles de reparto temporal a lo largo del día para cada actividad SNAP para días laborables (azul), sábados (rojo) y domingo (amarillo).
Figura 2. Esquema de modelización y dominios utilizado para simular la dispersión de contaminantes en España con los modelos CHIMERE-MM5.
Validación para ozono
Se ha procedido a realizar una validación del modelo CHIMERE para ozono sobre la base de los semestres de verano de 2003, 2004 y 2005. Se han utilizado técnicas gráficas y estadísticas para comparar las predicciones de CHIMERE con los datos medios diarios observados en distintos tipos de estaciones españolas (figura 3)
Figura 3. Estaciones de calidad del aire en España para ozono según su tipología.
En la figura 4, se muestran algunos mapas de concentración de ozono predichos por CHIMERE para un día de verano de los tres años.
Los estadísticos utilizados han sido los siguientes:
Figura 4. Mapas de ozono generados por CHIMERE para el 5 de agosto de 2003, 2004 y 2005 a las 16:00 horas.
Los resultados estadísticos se muestran en la tabla 1, mientras que algunos gráficos de comparación de series modeladas y predichas en estaciones se muestran en la figura 5.
Tabla 1. Resultados estadísticos de la comparación de las predicciones de ozono de CHIMERE y las observaciones en estaciones para los tres años modelados.
Tanto la evaluación gráfica como los resultados de la estación estadística indican que el modelo CHIMERE es capaz de reproducir de forma satisfactoria los valores de concentración de ozono observados en estaciones en gran parte de las estaciones de fondo rural, suburbano y urbano.
Los valores obtenidos para los parámetros estadísticos se encuentran dentro de los límites de calidad de predicción establecidos por Tesche et al, 1990 (error < 15 ppb, error normalizado <25% y error absoluto normalizado < 30%).
Figura 5. Series temporales de ozono modelizado y observado en varias de las estaciones rurales de fondo durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2003.
Validación para los óxidos de nitrógeno
Los óxidos de nitrógeno, resultan más difíciles de modelizar, como refleja el hecho que, para el NO2, y NOx, los resultados son peores que en el caso del ozono (ver tabla 2 y figura 6).
Resultados más parecidos a los observados en estaciones de fondo rural debido principalmente a que la representatividad espacial de estas es equiparable a la resolución espacial utilizada por el modelo en estas simulaciones.
Tabla 2. Resultados estadísticos de la comparación de las predicciones de NO2, y NOx de CHIMERE y las observaciones en estaciones para los tres años modelados.
Figura 6. Series temporales de NO2 modelizado y observado en varias de las estaciones rurales de fondo durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2003.
Validación para el SO2
En la figura 7, se muestra un ejemplo de mapa de concentraciones de SO2 generado por CHIMERE para una hora de la tarde de un día de verano. En ella, llama la atención los niveles máximos ligados a grandes focos de combustión que son grandes emisores de dicho contaminante.
Figura 7. Mapa de concentraciones de SO2 predichas por CHIMERE para las 16:00 del 4 de agosto de 2004.
Figura 8. Estaciones de calidad del aire en España para SO2 según su tipología.
Para estaciones con concentraciones altas, las predicciones de CHIMERE se ajustan bastante bien a lo observado (figuras 9 y 10).
En las estaciones de fondo rural, las predicciones están, en general, muy próximas a lo observado, aunque se han detectado subpredicciones en varias estaciones de la Comunidad Valenciana y en la provincia de Sevilla.
Por el contrario, hay sobrepredicción en una estación cercana a las CCTT de Teruel, aunque en otras estaciones de esta zona esto no ocurre.
En las estaciones suburbanas de fondo, la tendencia es a la subpredicción, que se acentúa en las estaciones urbanas. Las causas de este comportamiento hay que buscarlas:
1) en la escasa resolución espacial de las emisiones y del modelo,
2) el modelo considera emisiones en dos alturas, lo que es insuficiente para representar emisiones en altura desde grandes chimeneas (en la actualidad estamos incorporando la consideración de más niveles de emisión)
3) incertidumbres de diversa índole probablemente en el propio inventario de emisiones y en la poca resolución utilizada con el modelo para poder representar con detalle ciertas circulaciones locales.
Figura 9. Series temporales de SO2 modelizado y observado en varias de las estaciones durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2004.
Figura 10. Promedio de concentración de SO2 para el período del 1 de abril a 30 de septiembre de 2004 modelado y observado en estaciones de fondo rural, suburbano y urbano.
Validación para partículas
CHIMERE simula también la dispersión de partículas PM10 y PM2.5, incluso su especiación. En este ejercicio, se ha analizado la calidad de las predicciones de PM10 y PM2.5. No obstante, hay que avisar que en estas simulaciones no se ha contado con datos de importación de polvo sahariano y que la emisiones de partículas no contemplan la resuspensión.
En las figuras 11 y 12, se muestran mapas de concentración predicha por CHIMERE para una hora de la tarde de un día de agosto de 2004.
Figura 11. Mapa de concentraciones de PM10 predichas por CHIMERE para las 16:00 del 4 de agosto de 2004.
Figura 12. Mapa de concentraciones de PM2.5 predichas por CHIMERE para las 16:00 del 4 de agosto de 2004.
En la figuras 13 y 14, se muestran las estaciones de fondo españolas con medida de PM10 y PM2.5 respectivamente.
En ambos casos, las series temporales predichas tienden a seguir la evolución de las series medidas pero generalmente subprediciendo. Esto es más evidente en estaciones rodeadas de terreno con poca vegetación (figuras 15-18). Hay que tener en cuenta que en las emisiones utilizadas no se tenía en cuenta las intrusiones saharianas y que la parametrización de CHIMERE para resuspensión de partículas no es muy adecuada y está siendo actualizada. No obstante, no hay que descartar imprecisiones en los datos de otras fuentes y otros motivos como los expuestos para el SO2 o otros relacionados con la estimación del depósito de partículas.
Figura 13. Estaciones de calidad del aire de fondo en España para PM10 según su tipología.
Figura 14. Estaciones de calidad del aire de fondo en España para PM2.5 según su tipología.
Figura 15. Promedio de concentración de PM10 para el período del 1 de abril a 30 de septiembre de 2004 modelado y observado en estaciones de fondo rural, suburbano y urbano.
Figura 16. Promedio de concentración de PM2.5 para el período del 1 de abril a 30 de septiembre de 2004 modelado y observado en estaciones de fondo rural, suburbano y urbano.
Figura 17. Series temporales de PM10 modelizado y observado en varias de las estaciones durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2004.
Figura 18. Series temporales de PM2.5 modelizado y observado en varias de las estaciones durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2004.
Comparación del modelo CHIMERE con un modelo Lagrangiano
Se han comparado los resultados del modelo CHIMERE con el modelo Lagrangiano CALPUFF, que fue utilizado en la evaluación de la calidad del aire en 2004 y que es muy similar, tanto en características como en resultados, al modelo MELPUFF, que habitualmente se había usado para la evaluación de la calidad del aire en España en los años 2002 y 2003.
En diversos análisis de validación de MELPUFF y CALPUFF, hemos podido apreciar cierta tendencia a sobrepredecir, a veces de forma exagerada, las concentraciones de contaminantes como SO2 en zonas próximas a grandes chimeneas. Esto daba lugar a estimar más superaciones de los valores límite de calidad del aire en celdas próximas a las CCTT.
Se ha tomado un periodo de 1 de abril a 30 de septiembre de 2004 para comparar los valores medios diarios de concentración predichos por los modelo CHIMERE y CALPUFF con varias estaciones de medida. El contaminante considerado ha sido el SO2, cuyas emisiones desde CCTT son dominantes frente a los demás sectores.
En las figuras 19 - 22, se muestran resultados de las series modelas por CHIMERE y CALPUFF comparados con los datos observados en cuatro estaciones, tres de ellas próximas a dos grandes CCTT y la otra es una estación muy alejada de grandes focos de emisión.
Puede apreciarse que el modelo Lagrangiano CALPUFF, sobrepredice de forma muy acusada los picos de concentraciones medias de SO2 en varios casos, especialmente en la estación próxima a la CT de AS Pontes (figura 20). CHIMERE proporciona unos valores más concordantes con lo observado, aunque en algunos caso puede apreciarse cierta sobrepredicción. Esto puede ser corregido (se está trabajando también en este sentido) dentro de la configuración de perfiles verticales de emisión que considera CHIMERE, que originariamente considera dos alturas posibles de emisión, siendo la más alta inferior a la altura real de la chimeneas de Andorra y As Pontes. En la estación mostrada en la figura 21 en Asturias, las CCTT tienen chimeneas más bajas y acordes con la altura superior de emisión considera por CHIMERE y la sobre predicción es menor. Se está trabajando en modificar el programa para tener un número mayor de alturas de emisión posibles.
La sobrepredicción de CALPUFF se hace palpable también en la estación de Extremadura alejada de los focos emisores importantes, mientras CHIMERE da unos resultados muy acordes con lo observado.
Figura 19. Series temporales de SO2 modelizado con CHIMERE y CALPUFF y observado en la estación 12080008 durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2004
Figura 20. Series temporales de SO2 modelizado con CHIMERE y CALPUFF y observado en la estación 27058999 durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2004
Figura 21. Series temporales de SO2 modelizado con CHIMERE y CALPUFF y observado en la estación 33036999 durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2004
Figura 22. Series temporales de SO2 modelizado con CHIMERE y CALPUFF y observado en la estación 10182001 durante el periodo comprendido entre el 1 de Abril y 30 de Septiembre de 2004
Impacto del uso de emisiones del año anterior
La imposibilidad de disponer de datos de emisiones nacionales en cada año concreto y tener que utilizar los últimos datos disponibles (los del año inmediatamente anterior) plantea cierto grado de incertidumbre en los resultados de los modelos, ya que aunque en general las emisiones no hayan cambiado más allá de un pequeño porcentaje (2 o 3% anual) puede que en celdas concretas el cambio sea mayor y los resultados de los modelos no se ajusten a la realidad.
Con objeto de determinar el impacto de usar en la modelización emisiones del año anterior, se ha realizado una comparación de los resultados para ozono obtenidos con CHIMERE para el año 2003 con emisiones 2003 y con emisiones 2002, pero con meteorología de 2003.
Las evolución de las emisiones de precursores de ozono en los últimos años se muestra en la figura 23. Puede apreciarse que las emisiones nacionales de NOx en 2002 y 2003 son prácticamente idénticas, mientras que las de VOCs crecieron ligeramente en 2003.
Figura 23. Evolución de las emisiones precursores de ozono en España desde 1991.
En la tabla 3, se muestran los resultados obtenidos con distintos estadísticos comparando valores modelados con emisiones 2002 (E02) y emisiones 2003 (E03) con las observaciones en estaciones de fondo rural (RB), suburbano (SB) y urbano (UB) y estaciones industriales rurales (RI) y urbanas (UI). Puede apreciarse que el impacto en los niveles de ozono modelado es muy escaso, ya que la variación en los estadísticos que comparan los resultados del modelo con las observaciones es muy pequeña.
Bias (microg/m3)
N. G.Error
Tabla 3. Comparación de los estadísticos bias, bias normalizado y gross error normalizado resultantes de contrastar las observaciones en estaciones de fondo rural (RB), suburbano (SB) y urbano (UB) y estaciones industriales rurales (RI) y urbanas (UI) con las concentraciones de ozono simuladas con CHIMERE para el año 2003 con emisiones 2002 (E02) y 2003 (E03) ambas con meteorología de 2003.
Sin embargo las emisiones de SO2 presentan una variación importante entre 2002 y 2003 (superior al 10%), lo que inequívocamente puede tener un impacto notable en la concentración estimada (figura 24).
Figura 24. Evolución de las emisiones SO2 en España desde 1990.
A lo largo de los tres primeros años de vigencia de este convenio se han aplicado modelos para que combinándolos con las mediciones de las estaciones de medida obtener mapas consistentes de la calidad del aire en España. El número de contaminantes fue aumentando hasta tratar SO2, CO, Pb y PM10 primario antropogénico (Martín et al, 2004b, Martín et al, 2005). Estos trabajos se han venido haciendo de año en año, estimando la calidad del aire en los meses posteriores a la terminación del año a tratar.
En el estudio mostrado con anterioridad, se pudo comprobar que las pequeñas variaciones en las emisiones de los precursores de ozono no tenía un gran impacto en los niveles de ozono modelados. Sin embargo, otros contaminantes como el SO2, presentan una variación importante en las emisiones anuales, lo que si puede dar lugar a impactos notables en las concentraciones.
Por todo esto, se planteó que se realizará una reevaluación de la calidad del aire utilizando estimaciones ‘reales’ de las emisiones de cada año junto con los otros datos de meteorología e inmisión de esos mismos años.
En un principio se pensó utilizar los mismos modelos de otros años, CALMET y MELPUFF-CALPUFF. Sin embargo, en los estudios de comparación y validación del modelo CHIMERE hemos visto que CHIMERE junto con MM5 proporcionaban resultados mejores que los modelos Lagrangianos de nube Gaussiana tales como CALPUFF o MELPUFF. Además, CHIMERE puede trabajar con un amplio número de contaminantes a la vez, lo que permitiría disponer de resultados para ozono, óxidos de nitrógeno, partículas, dióxido de azufre y monóxido de carbono. Anteriormente, no disponíamos de resultados modelados para ozono y óxidos de nitrógeno. Por todo ello, se decidió realizar la reevaluación de la calidad del aire para 2002-2004 con el modelo CHIMERE acoplado al modelo meteorológico MM5, simulando años completos.
El uso de este nuevo modelo implica un cambio en los datos de entrada a utilizar (ver sección anterior). La disponibilidad inicial de esos datos era limitada en el periodo considerado. Para el año 2003, se disponía de los datos de entrada completos, mientras que para 2002 faltaban los análisis meteorológicos AVN y para 2004, las emisiones de EMEP de todos los dominios considerados. Recientemente, se ha podido conseguir tanto los análisis meteorológicos 2002 como las emisiones EMEP 2004 de todos los dominios. Esto nos ha permitido terminar las simulaciones con el modelo para 2003, mientras que las de 2002 y 2004 no han podido realizarse todavía. Estas se podrán terminar en los meses que quedan para la terminación del presente convenio.
La configuración de los modelos CHIMERE y MM5 y sus datos de entrada y condiciones de contorno han sido las expuestas en la sección anterior.

References: artículo 2
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