Meteorología aplicada a la contaminación del aire

Caracterización del contaminante Ozono y NO2 en la ciudad de Cuenca

Astudillo, Marcelo

Corporación para el Mejoramiento de la Calidad de aire de Cuenca

Mayo, 2010

1

Introducción El Centro de Estudios Ambientales (CEA) de la Universidad de Cuenca, consciente de la problemática actual referida a la contaminación del aire en nuestra ciudad organizó un curso de meteorología aplicada a la contaminación del aire entre los días 15 y 19 de Marzo de 2010. Este curso fue dictado por una experta meteoróloga chilena Maureen Amin que trabaja en el Centro de Estudios de Medio Ambiente de Chile (CENMA). El presente trabajo es un producto de dicho curso, y hace referencia a la interrelación ente las condiciones meteorológicas de la ciudad de Cuenca y la presencia del ozono como contaminante secundario de las emisiones de fuentes móviles.

Objetivos Caracterizar el contaminante Ozono y describir la presencia e influencia geográfica de este elemento en nuestra ciudad utilizando variables meteorológicas en conjunto con el inventario de los contaminantes.

Antecedentes La contaminación del medio ambiente en la ciudad de Cuenca en los últimos años se ha convertido en un problema que todas las instancias involucradas, han visto la necesidad de enfrentarlo, definiendo políticas y actividades que permitan trabajar con este ámbito, de una manera técnica y científica.

Uno de los temas que más preocupa es el de la contaminación del aire que respiramos los ciudadanos dentro de las actividades diarias que cumplimos. “La contaminación del aire, denominada también contaminación atmosférica, significa la presencia en el aire de alguna impureza en concentraciones suficientemente elevadas, como para producir efectos adversos que afectan la salud, la seguridad, el bienestar o el disfrute de la propiedad.”(Hernández, 1990).

El Centro de Estudios Ambientales de la Universidad de Cuenca ha sido el pionero en tratar el tema de la contaminación del aire y en conjunto con los gobiernos locales han definido algunas estrategias para enfrentarlo:

En primer lugar se han ejecutado tareas para identificar los tipos de contaminantes que se encuentran presentes en nuestro medio.

Luego se ha realizado un inventario de los niveles y cantidades de estos contaminantes identificados, ejecutando monitoreo de tipo pasivo en diversos sectores de nuestra ciudad.

Como resultado de las actividades anteriores las instituciones involucradas han visto la necesidad de crear la Corporación para el mejoramiento del aire de Cuenca (CUENCAIRE), ente al que se le encarga el monitoreo de la calidad del aire y el manejo de políticas para el mejoramiento del mismo.

2

CUENCAIRE desde el año 2007 ha venido desarrollando diversas actividades para cumplir con este cometido a través de la ejecución del monitoreo pasivo de contaminantes.

El Centro de Estudios Ambientales (CEA) ha apoyado en este tema a CUENCAIRE, colaborando con la capacitación técnica respectiva y poniendo a disposición de los técnicos de CUENCAIRE sus instalaciones para ejecutar las tareas de evaluación y análisis de los contaminantes.

Continuando con el apoyo señalado, el CEA ha organizado el “Curso de Meteorología aplicada a la contaminación del aire”, habiendo participado dos técnicos de CUENCAIRE en el mismo.

Metodología La metodología utilizada para llevar a cabo este trabajo se basa en el uso de las herramientas que provee un sistema de información geográfica (SIG) aplicándolo a los conceptos y conocimientos de meteorología obtenidos en este curso.

Mediante esta metodología se pretende dar una visión geográfica de lo que ocurre con el contaminante Ozono en nuestra ciudad utilizando los datos propios del monitoreo del contaminante en conjunto con variables meteorológicas que influyen en su desarrollo.

Para el desarrollo de este trabajo, se han realizado las siguientes actividades:

Planteamiento del problema

Levantamiento de información

Procesamiento de información

Análisis de la información

Resultados y discusión

Planteamiento del problema La complejidad de caracterizar un contaminante dentro de una zona en la cual incide tal o cual fenómeno meteorológico conlleva a buscar diferentes mecanismos que permitan visualizar la presencia de este elemento de una manera práctica, funcional y continua. Esta búsqueda de mecanismos y herramientas ha considerado que este análisis tiene mucho que ver con la ubicación y definición geográfica en donde ocurre este hecho. Es por ello que personalmente que se ha elegido herramientas que son provistas por un sistema de información geográfico para la caracterización del contaminante motivo de este análisis.

3

Levantamiento de información Información meteorológica

Para la información meteorológica se han obtenido datos de dos estaciones:

• Aeropuerto “Mariscal Lamar” (Dirección de Aviación Civil)

• Universidad de Cuenca (Centro de Estudios Ambientales)

La información corresponde a los datos meteorológicos del año 2007, pues para la estación del aeropuerto se dispone de información desde el año 1990 al 2007. La estación del CEA dispone de información desde el año 2005 hasta la presente fecha.

Los datos han sido tabulados de forma trimestral y anual para disponer de un comparativo que permita visualizarlos de esta manera.

Los datos originales están almacenados de forma horaria, debiendo indicar que para los datos del aeropuerto se tienen mediciones horarias desde las 6h00 hasta las 19h00.

Para el presente trabajo se ha utilizado la información meteorológica correspondiente a temperatura del aire, dirección y velocidad del viento.

Información de contaminantes

La información de los contaminantes ha sido tomada de los datos recolectados por CUENCAIRE a través del monitoreo pasivo realizado en los años 2008 y 2009.

Los datos han sido tabulados de forma trimestral y anual para obtener compatibilidad con la información meteorológica.

Los datos originales están almacenados en forma diaria pero por períodos, es decir, se obtienen los datos de algunos días del mes.

Para el presente trabajo se ha utilizado la información correspondiente a los contaminantes Ozono y NO2.

4

Descripción de las estaciones

MeteorologíaSe disponen de dos estaciones de meteorología que miden las siguientes variables:

Estación Variables Aeropuerto “Mariscal Lamar” Punto de rocío Humedad relativa Nubosidad total Presión atmosférica Precipitación Temperatura del aire Tensión del vapor Dirección y velocidad del viento Visibilidad horizontal Centro de Estudios Ambientales Punto de rocío Humedad relativa Presión atmosférica Precipitación Temperatura del aire Dirección y velocidad del viento

Monitoreo de contaminantes

Estación Tipo monitoreo Contaminante Colegio Carlos Arízaga Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Activo PM10 Automático CO Edificio de la Alcaldía de Cuenca Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Activo PM10 Automático CO Escuela Ignacio Escandón Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Activo PM10 Automático CO Escuela Ignacio Andrade Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Escuela Héctor Sempertegui Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Colegio Herlinda Toral Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Terminal Terrestre Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Escuela Carlos Crespi II Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Facultad Odontología Universidad Cuenca Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Escuela Velasco Ibarra Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Mercado "El Arenal" Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Balzain CEA Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Colegio Borja Pasivo O3, NO2, TSP y SO2 Estación de Bomberos centro de la ciudad Pasivo NO2 y TSP Machángara Blanco O3, NO2, TSP y SO2

5

Procesamiento de información Para el procesamiento de información se ha utilizado el software ArcGIS, el cual permite diseñar mapas temáticos que visualizan la información geográficamente.

Se ha utilizado el software WRPlotView para graficar la rosa de los vientos.

Utilizando el software Google Earth se ha obtenido una imagen digitalizada de la ciudad de Cuenca y sus alrededores que comprende más o menos la zona de ubicación de las estaciones de monitoreo.

Finalmente se han desarrollado algunos programas para tabular la información, utilizando el software CASE Genexus 9.0.

Análisis de la información

Criterios para el análisis

La información es analizada de forma trimestral y anual y se la obtiene utilizando los siguientes criterios:

• Selección de datos del contaminante Ozono utilizando los valores promedios mensuales registrados en cada una de las estaciones de monitoreo pasivo.

• Selección de datos del contaminante NO2 utilizando los valores promedios mensuales registrados en cada una de las estaciones de monitoreo pasivo.

• Selección de datos meteorológicos correspondientes a temperatura máxima, mínima y promedio registrados mensualmente en las dos estaciones meteorológicas (CEA y aeropuerto).

• Selección de datos meteorológicos correspondientes a promedios mensuales de velocidad y dirección del viento registrados en las dos estaciones mencionadas (CEA y aeropuerto).

• Asociación de los datos meteorológicos a estaciones de monitoreo cercanas para cumplir con los requerimientos del método de interpolación (al menos 10 estaciones).

• Selección de una imagen satelital de la ciudad de Cuenca que comprende la zona en donde están ubicadas las estaciones de monitoreo y meteorológicas.

• Tanto para los contaminantes como para las variables meteorológicas se han creado variables de cálculo para almacenar los valores trimestrales y anuales.

6

• Selección de capas que contengan las imágenes georeferenciadas de Sudamérica, Ecuador, Azuay, Cuenca y Parroquias.

• Georeferenciación de la imagen satelital de la ciudad de Cuenca mencionada anteriormente.

Ejecución del análisis

Una vez incluidos los datos de cada uno de los temas correspondientes se ejecuta el análisis utilizando la herramienta de análisis geoestadístico provista por ArcGIS.

• Interpolación de datos correspondiente al Ozono registrado en cada una de las estaciones utilizando el método Radial Basis Function que permite generar superficies predictivas que cubren la extensión de la zona de estudio. Se ejecuta un análisis trimestral y anual.

• Interpolación de datos correspondiente al NO2 registrado en cada una de las estaciones, combinando esta información con la temperatura máxima del aire. Para este análisis se utiliza el método CoKriging que genera superficies predictivas correlacionando las dos variables. De igual forma se realiza el análisis trimestral y anual.

• Interpolación de datos meteorológicos correspondientes a temperatura máxima, mínima y promedio utilizando el método Radial Basis Function para generar superficies predictivas que cubren la zona de estudio. Se ejecutan los análisis de forma trimestral y anual.

• Procesar los datos meteorológicos de velocidad y dirección del viento para generar la rosa de los vientos correspondiente al estudio.

7

Resultados y discusión Los resultados son presentados en diversos mapas temáticos que permiten visualizar de forma práctica la ocurrencia del contaminante Ozono y su caracterización meteorológica.

Figura 1.‐ Ubicación de la zona de estudio

En la Figura 1 se puede ver la zona de estudio, la cual se indica con el círculo rojo y corresponde a la ciudad de Cuenca. La imagen satelital seleccionada para el estudio está ubicada entre las coordenadas que se detallan en la Tabla 1

TABLA 1.‐ Coordenadas de ubicación de la ciudad de Cuenca Latitud Longitud Esquina superior izquierda 2,870594 S 79,058932 O Esquina superior derecha 2,870594 S 78,938744 O Esquina inferior izquierda 2,940433 S 79,058932 O Esquina inferior derecha 2,940433 S 78,938744 O

En la Figura 2, se ha utilizado la imagen satelital de Cuenca para visualizar la ubicación de las estaciones de monitoreo y meteorológicas. Esto permite visualizar la ubicación de dichas estaciones así como la interrelación existente entre las mismas.

8

Figura 2.‐ Ubicación de las estaciones de monitoreo y meteorológicas

Figura 3.‐ Concentraciones de ozono en el año 2008

E En la Figura 3 se visualiza que las zonas con alta contaminación corresponden a la estación

9

de Ictocruz la misma que está ubicada en una zona alta de la ciudad. Los menores niveles de contaminación se ubican en las zonas Noreste y Noroeste.

En la Figura 4 en cambio, se puede ver los resultados obtenidos para el año 2009

Figura 4.‐ Concentración de ozono en el año 2009

Haciendo una comparación entre el año 2008 y 2009 se observa que en ambos casos la zona de mayor concentración de ozono corresponde a Ictocruz, sin embargo en el 2008 el radio de presencia del contaminante es mayor.

Las zonas del Centro histórico de la ciudad presentan bajos niveles de ozono, lo cual estaría en concordancia con el hecho de que se trata de un contaminante secundario. La zona de Balzain también presenta niveles bajos de ozono.

La Figura 5 permite visualizar la concentración de ozono en relación a la temperatura promedio anual.

10

Figura 5.‐ Caracterización anual del Ozono con respecto a la temperatura promedio del aire

Se puede apreciar (Figura 5) que las mayores temperaturas se dan en la zona noreste de la ciudad y las menores en la zona suroeste.

En la Figura 6 se muestra la caracterización trimestral de ozono con respecto a la temperatura promedio del aire, como se puede apreciar, los patrones señalados en el mapa anual se repiten de forma similar en los mapas trimestrales.

11

Figura 6.‐ Caracterización trimestral del Ozono con respecto a la temperatura promedio del aire

12

Figura 7.‐ Caracterización anual NO2 correlacionado con la temperatura máxima del aire (Año 2008)

Los niveles de contaminación del NO2 son altos en las zonas centrales y periféricas hacia el sur. Los niveles bajos se dan en la zona Noreste.

13

Figura 8.‐ Caracterización anual NO2 correlacionado con la temperatura máxima del aire (Año 2009)

La tendencia en este gráfico muestra que los niveles son altos en la parte central de la ciudad y conforme nos vamos alejando, estos se van reduciendo.

14

Figura 9.‐ Rosa de los vientos correspondiente al período de estudio

15

Conclusiones y recomendaciones

Conclusiones El estudio realizado ha permitido evaluar de una forma geográfica cual es el nivel de incidencia del contaminante Ozono en la ciudad de Cuenca. Se han incluido dentro de este estudio variables meteorológicas que han servido como referencia para determinar la incidencia de los fenómenos meteorológicos sobre el desarrollo del contaminante.

En un primer análisis se ha visualizado como está distribuido el contaminante en la zona de estudio verificando que los datos recolectados coinciden con los mapas generados.

El segundo análisis que pretende demostrar la incidencia de variables meteorológicas en los contaminantes no ha dado los resultados esperados pues partiendo del concepto que define que el NO2 al reaccionar con la temperatura del medio ambiente genera Ozono se esperaba que el mapa generado tenga similares características al que representa solo al Ozono.

Uno de los problemas que pueden incidir también en el segundo análisis proviene de los mapas de temperatura del aire que tampoco cumplen con las expectativas puesto que sólo se dispone de dos estaciones meteorológicas y el método de interpolación utilizado requiere de al menos 10 estaciones.

Otro problema que afectaría la obtención de los resultados del segundo análisis proviene del concepto en el cual se define que la generación de Ozono está ligada a otros contaminantes y otras variables meteorológicas como la radiación solar.

Recomendaciones Sería conveniente coordinar con otras instituciones relacionadas con el medio ambiente para en conjunto recopilar la mayor cantidad de información referida a la meteorología.

Por otro lado, es importante que exista un proceso de seguimiento y validación de los datos obtenidos en el monitoreo de contaminantes.

Deberían orientarse las políticas y estrategias de manejo de la calidad del aire hacia el uso de herramientas informáticas geográficas pues los resultados obtenidos permiten ver claramente la utilidad de estas herramientas.

Referencias bibliográficas CUENCAIRE (2009. Plan de manejo de la calidad del aire 2009‐ 2013) CUENCAIRE (2008, Análisis y revisión de la red de calidad del aire) CUENCAIRE(2009, Informe anual de la calidad del aire) CEA (2006, Calidad del aire) www.cuencaire.org.ec . 2010/04/22 www.ceaucuenca.ec . 2010/04/15