O documento discute: 1) Sistemas de equações para modelagem numérica da atmosfera e dispersão de poluentes; 2) Componentes físicos e químicos dos modelos, incluindo fontes de emissão, mecanismos de remoção e reações químicas; 3) Aplicações dos modelos para estudar poluição do ar em cidades.

1. Marcelo Felix Alonso

2. IPCC 2007 ( AR4 – WG1 )

3. ENIAC 4
17.468 válvulas, além de 1.500 relês e
um grande número de capacitores,
resistores e outros componentes.

4. Um sistema de 13 p = ρRT ∂ρ → → → →
+ ρ ∇• V + V • ∇ ρ = 0
equações (1 diagnóstica e ∂t
12 prognósticas)
∂u ∂u ∂u ∂u ^ 1 ∂p
= −u −v −w + fv − f w − − Fau + TURB ( u )
∂t ∂x ∂y ∂z ρ ∂x
∂v ∂v ∂v ∂v 1 ∂p
= −u −v − w − fu − − Fav + TURB ( v )
∂t ∂x ∂y ∂z ρ ∂y
∂w ∂w ∂w ∂w ^ 1 ∂p
= −u −v −w + f u−g − − Faw + TURB ( w)
∂t ∂x ∂y ∂z ρ ∂z
D 1  •
∂T ∂T ∂T ∂T p  ρ  Q
  + + TURB (T )
= −u −v −w −
∂t ∂x ∂y ∂z cv Dt cv
∂ri ∂r ∂r ∂r
( para i = 1 a 7) : = −u i − v i − w i + ∑ Si + TURB ( ri )
∂t ∂x ∂y ∂z i
Cortesia: Adilson W. Gandu IAG/USP

5. Temos também: 13 váriáveis do modelo
(u, v, w, ρ, p, T, r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7)
Se conhecermos :
Fau, Fav, Faw, Q, Si, e fluxos turbulentos
(a “física” do modelo)
Então :
O sistema de equações é “fechado” e, em princípio,
“resolvível”
MAS : (complexo e altamente não linear)
Não existe método analítico para resolver esse sistema
Cortesia: Adilson W. Gandu IAG/USP

6. Resolução horizontal
1º
lat 1º
long
níveis
verticais
Inte Interações laterais
ra çõe
s entr
e cam
ada
s
Interações com a superfície

7. A PNT é uma problema de valor inicial e condições de contorno

8. Porque modelar dispersão e química de poluentes?
Percentual
JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC
Month
Anthropogenic Biogenic Biomass burning

9. Fonte: Tucci et al.[2003]
Tucci et al.[2003]
Atualmente estima-se que 40% das mortes no
mundo estão relacionados com degradação
ambiental.
50% das doenças respiratórias crônicas
provavelmente associadas à poluição do ar.
Pimentel et al.[2007]

10. Gases emitidos na Região Metropolitana de São Paulo
Percentagem de contribuição
das fontes de emissão
Sulfato
CO2 O3
CO
NOx
MP HC
SO2
CO2
CO Emissões
N2O Urbanas
Tipos de fontes
CETESB [2005]
Urbano

11. Modelos online Modelos offline
Acoplagem do módulo atmosfera com Os parâmetros atmosféricos são usados
química. Estado da arte em modelagem da como dados de entrada para a resolução
dispersão e química de poluentes. numérica da dispersão. No caso dos
modelos químicos, consegue-se estudar
Weather Research Forecast model with os efeitos isolados das reações químicas.
Chemistry (WRF/Chem) (Grell et al. 2005;
Fast et al. 2006; Zhang et al. 2010a) AMS/EPA Regulatory Model (AERMOD)
da Agência de Proteção Ambiental dos
CATT-BRAMS (Coupled Aerosol and Estados Unidos.
Tracer Transport model to the Brazilian
developments on the Regional Atmospheric
Modelling System – Longo et al., 2011)

14. A LARGE RANGE OF SCALES

15. FONTES
Local and regional inventories
Characterizing and predicting local air quality and regional effects resulting
from emissions in a large city requires a detailed survey of emissions
sources.
Top-down x bottom-up approaches
coarse information x Specific information
Low costs x high costs

17. Mexico city TIE et al. (2010)
URBANO
CO emission CO mixing ratio (ppbv)

18. Emissão total
Source: Butler et al.,2008
EDGAR
IPCCAR4
RETRO

20. INCERTEZAS Mecanismos condensados
Lumped structure
- Agrupamento por estrutura:
O propeno (C3H6), que contem
um grupo alquil y um enlace
duplo de carbono, é
representado como 1 PAR mais
um 1 OLE
Agregação Ex: CB05, 51 espécies e 156
reações
dos COR
Lumped Molecule
- Agrupamento seguindo a
natureza química
O propeno é incluído em ALKE
(alcenos)
Ex: RACM, 77 espécies e 237
reações

21. mass mixing ratio tendency:
kg [ η ]
Eη ( t ) = r ( t ) Eη , units: ( )
kg[air] s
24h
and ∫
0
r ( t ) dt = 1
A double Gaussian function used to
determine the diurnal cycle of urban
emission. Freitas et al. (2010)
15 LT
2 2 5 0
diurnal cycle of
2 0 0 0
1 7 5 0
N ú m e ro m é d io d e fo c o s d e fo g o
the burning:
1 5 0 0
r(t ) 1 2 5 0
1 0 0 0
Eη ( t ) = r ( t ) Eη
7 5 0
5 0 0
2 5 0
0
time
0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4
H o r a L o c a l ( F u s o d e B r a s í lia )

22. PLUMERISE
QUEIMADAS
Plume rise model Freitas et al., (2006,2007,2010)
total emission flux: Fη being λ the smoldering fraction
Injection
λ Fη layer
smoldering term : Eη =
ρ air ∆zfirst phys.
model layer
h
(1 − λ ) Fη
flaming term : Eη =
ρ air ∆zinjection
layer

23. Freitas et al. (2007)

24. VULCÂNICAS

25. The W
FÍSICA
∂s  ∂s   ∂s   ∂s   ∂s   ∂s   ∂s 
=   +  +  +   + WPM 25 + R + Q plume +   + 
∂t  ∂t  adv  ∂t CLP  ∂t  conv  ∂t  conv
turb prof rasa
rise  ∂t  reações  ∂t  4 dda
químicas
Orig RAMS adv – diff = 1. Orig RAMS adv – diff = 0.1
Orig RAMS adv – diff = 0.01 NEW BRAMS adv – diff = 0.01

26. ∂s  ∂s   ∂s   ∂s   ∂s   ∂s   ∂s 
=   +  +  +   + WPM 25 + R + Q plume +   + 
∂t  ∂t  adv  ∂t CLP  ∂t  conv  ∂t  conv
turb prof rasa
rise  ∂t  reações  ∂t  4 dda
químicas

27. ∂s  ∂s   ∂s   ∂s   ∂s   ∂s   ∂s 
=   +  +  +   + WPM 25 + R + Q plume +   + 
∂t  ∂t  adv  ∂t CLP  ∂t  conv  ∂t  conv
turb prof rasa
rise  ∂t  reações  ∂t  4 dda
químicas
Deposição seca

28. Equilibrium between aqueous and gas phases (Henry's law)
ρ fase = k H rlw ρ fase
aquosa gasosa
solubility:
 ∆ H 1
 − sol 
− 1
 T θ = 298.15K
÷
θ  R T  Tθ ÷
k H (T ) = RTk H e  
,  
∆ sol H : enthalpy change
k θ : equilibrium constant at T θ
 H
wet removal tendency (sink term W):
 convective precip rate
prec :
k H rlw s fase prec 
ˆ 
(from cumulus parameterization)
 ∂s  
 ∂t ÷wet µ− gasosa
 rlw : cloud liquid water/ice mixing ratio (from CP)
  removal ∆z  ˆ
s fase : in-cloud gas phase mixing ratio
 gasosa


total mass deposited on surface:
cloud
top
 ∂s 
msfc = ∫
sfc
 ÷wet ρ air dz
 ∂t  removal
Deposição úmida

29. ∂s  ∂s   ∂s   ∂s   ∂s   ∂s   ∂s 
=   +  +  +   + WPM 25 + R + Q plume +   + 
∂t  ∂t  adv  ∂t CLP  ∂t  conv  ∂t  conv
turb prof rasa
rise  ∂t  reações  ∂t  4 dda
químicas
Condições iniciais e de fronteira químicas

30. Escala regional
Dispersão horizontal

31. Imagens: http://www.cptec.inpe.br/
Smog fotoquímico
Evolução diurna São Paulo 7/11/2010

32. Hora local 09 12 15 18 21
(ppb)
NO NO2 CO O3
NO
NO2
CO
O3
Fonte: Gacita, 2010 Imagem: http://meioambiente1.cptec.inpe.br/

33. CONCLUSÕES