Episodios de ozono en España 40 3 20 µgO · 2019-06-17 · • Alquenos • Carbonilos...

Episodios de ozono en España

O3 (µgm-3) 160

140

120

100

80

60

40

20

0

Pe

rcen

tile 9

3.2

8h

-average

s (µgO

3 /m3)

X. Querol1, A. Alastuey1, C. Carnerero1, N. Pérez1, J. Massagué1, G. Gangoiti2, L. Alonso2,

E.Mantilla3, J.J.Diéguez3, M.Escudero4, M.Hervás5, A.Campos5, I.Olivares5, M.B Larka5, J.R.Moreta6, M.Millán3

1Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA-CSIC), Barcelona2E.T.S. Ingeniería de Bilbao, Dpto. Ingeniería Química y del Medio Ambiente, Universidad País Vasco UPV/EHU, Bilbao

3Centro de Estudios Ambientales del Mediterráneo, CEAM, Unidad Asociada al CSIC, Valencia4Centro Universitario de la Defensa de Zaragoza, Academia General Militar, Zaragoza5D.G. Calidad y Evaluación Ambiental, Ministerio para la Transición Ecológica, Madrid

6Agencia Estatal de Meteorología, AEMET, Madrid

Bases científico técnicas para la mejora de la calidad del aire en EspañaValencia, 11-13 de junio 2019

http://contaminacion-atmosferica.es/

Contenido

• Conceptos básicos del O3

• Niveles de O3 en España y tendencias temporales• Origen de episodios de O3 en España

https://www.qld.gov.au/environment/pollution/monitoring/air-pollution/ozone/Queensland State Gorvernment, Australia

O3 a la estratosfera O3 a la troposfera

http://www.geo.hunter.cuny.edu

house.HIGH OZONE, ULTRAFINE PARTICLES AND

SECONDARY ORGANIC AEROSOLSCGL2016-78594-R


https://www.qld.gov.au/environment/pollution/monitoring/air-pollution/ozone/

Atmósferas contaminadasfotólisis de aldehídos,

HONO y H2O2

NO

RO2

+ HO2

Radicales orgánicos

Hidro-peroxílNO2

NO + O*

O2 + O* O3

hν

COVs + OH OH + HO2

¿Cómo se consume?NO + O3

en ciudadesconsumo de O3

NO2+O2

COVs relevantes para formar O3

• Alcanos

• Alquenos

• Carbonilos (aldehídos y cetonas)

• HAP

• Alcoholes

• Peróxidos orgánicos

• COVs halogenados

Vida media en atmósfera

• Isopreno 1h

• Metano 10 años

¿Cómo se genera O3?

CH4 + OHCO + OH

+COVs

O* + H2O

2OH

OH

• Reacción con vegetación:• Deposición estomatal• No estomatal

• Deposición en el agua

El O3 troposférico

PM carbonososecundario


Reactividad de los COVs

El O3 troposférico

Bergin M.S. et al., 1998. Environ. Sci. Technol. 32 (5), 694-703

carbon monoxide

ethane

benzenemethyl- t- butylether

tolueneethylbenzene2,2,4 trimethylpentane

butanemethanolmethyl-ethyl-ketone2-methylpentane

ethanolethyl -t butylethermethylcyclopentane

o-xylenemp- xylene2-methyl-1-butene1,2,4,trimethylbenzene2-methyl-2-butene

ethene

3-metghylyclopenteneacetaldehyde

propenepropuinaldehyde+higherisoprene1,3 butadieneformadehyde

Normalized reactivity

0 1 2 3

Spatial exposure

Normalized reactivity

0 1 2 3

Ozone peak events

Average:NO2+OHNO2 photolysisAldehyde photolysisPeroxyacyls+NOPeroxyacyls+NO2O3+NOPAN,PPN decomposition

carbon monoxide

ethane

benzenemethyl-t-butylether

tolueneethylbenzene2,2,4trimethylpentane

butanemethanolmethyl-ethyl-ketone2-methylpentane

ethanolethyl-butyl-ethermethylcyclopentane

o-xylenemp-xylene

1,2,4,trimethylbenzene2-methyl-2-butene

ethene

3- metghylyclopenteneacetaldehyde

propenepropuinaldehyde+higherisoprene1,3 butadieneformadehyde

-

2-methyl-1-butene


Potencial de formación de O3 en base a COVs medidos con HR-ToF-PTRMSEn Majadahonda (Madrid) Julio de 2016 (Querol X., et al., 2018, ACP)

El O3 troposférico


Sensitiva a los COVs Radicales OH<NOX

Sensitiva a los NOX

Radicales OH>NOX

Monks et al., 2015, ACP

El O3 troposférico


LOS PRECURSORES: NOX

El O3 troposférico


29/10/2018

EU-28 emisiones

LOS PRECURSORES: COVS

ENERGY PRODUCTION

DOMESTIC & RESIDENTIAL


AGRICULTURE



AGRICULTURE

INDUSTRY

ROAD TRANSPORT

WASTE

El O3 troposférico



El O3 troposférico


IMPACTO FORESTAL

IMPACTO COSECHAS

Guisante y judía (-30%)Boniato (-28%)Naranja (-27%)Cebolla (-23%)Nabo (-22%)Ciruela (-22%)Lechuga (-19%)Trigo (-18%)Soja (-18%)

% bajada rendimiento producción por pasar de 60 µg/m3 a 120 µg/m3

Alfalfa (-14%)Sandía (-14%)Tomate (-14%)Oliva (-13%)Maíz (-10%)Arroz (-9%)Patata (-9%)Cebada (-18%)Uva (-5%)

Fuente: Ozone Pollution: A hidden threat for food securityWGE-ICP Vegetation, CEH, 2011, UK

Pérdidas globales para 2030 por disminución cosechas17-35 billones $/añoEU-28: 2020 EU-28: 2020: Trigo 2.0 billones €/año 0.1 billones €/añoTomate 0.6 billones €/año 0.1 billones €/año

Funete: Ozone Pollution: A hidden threat for food securityWGE-ICP Vegetation, CEH, 2011, UK

El O3 troposférico


20150715_Classroom Test : w/ Ozone data

Local Time

2015-7-15 14:14:00 2015-7-15 14:44:00 2015-7-15 15:14:00 2015-7-15 15:44:00

Dp

(n

m)

10

100

VO

Cs

(pp

m)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Tem

per

atu

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¡É)

0

10

20

30

40

50

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mid

ity

(%)

0

20

40

60

80

100

Ozo

ne

(pp

b)

0

20

40

60

80

100

Tota

l C

on

cen

tra

tio

n (

#/c

c)

0.0

5.0e+4

1.0e+5

1.5e+5

2.0e+5

2.5e+5

3.0e+5

3.5e+5

0

10000

20000

30000

40000

50000

dN/dLogDp (#/cc)

VOCs

Temperature

Humidity

Ozone

Total Concentration

Ws Open Ws Open Ws Open

El O3 troposférico



0

ex

Querol X. et al., Science of the Total Environment 572 (2016) 379–389

Niveles de O3 en España

Exceedances/site/year

2000-2018

2a1

3

45

6

7

2d

8

9

2b

2c

2000-2015



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

200

0

200

2

200

4

200

6

200

8

201

0

201

2

201

4

201

6

201

8

Ox

(ppb)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

200

0

200

2

200

4

200

6

200

8

201

0

201

2

201

4

201

6

201

8

O3

(μg m

-3)

UB +1.04 % yr-1

RB *

UB *RB -0.16 % yr-1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

200

0

200

2

200

4

200

6

200

8

201

0

201

2

201

4

201

6

201

8

Ox

(ppb)

0

10

20

30

40

50

60

70

802

00

0

200

2

200

4

200

6

200

8

201

0

201

2

201

4

201

6

201

8

O3

(μg m

-3)

Ox=O3+NO2, reduces the effect of O3 titration by NO

Updated from Querol X. et al., Science of the Total Environment 572 (2016) 379–389

Spain annual average O3

TRF +1.72 % yr-1

IND +0.76 % yr-1

Spain anual average Ox

TRF -0.23 % yr-1

IND *

IND

TF UBRB

Average+STDV

-STDV

Without statisticalsignificance*

X % Percentage of anual variation




0

20

40

60

80

100

120

140

160

200

0

200

2

200

4

200

6

200

8

201

0

201

2

201

4

201

6

201

8

O3

media

P93,2

máx d

ia 8

h (μ

g m

-3)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

200

0

200

2

200

4

200

6

200

8

201

0

201

2

201

4

201

6

201

8

media

sup.

hora

rias O

3 1

80 μ

g m

-3

UB -4.63 % yr-1

RB -7-98 % yr-1

UB *RB -0.34% yr-1

Updated from Querol X. et al., Science of the Total Environment 572 (2016) 379–389

0

20

40

60

80

100

120

140

1602

00

0

200

2

200

4

200

6

200

8

201

0

201

2

201

4

201

6

201

8

O3

media

P93,2

máx d

ia 8

h (μ

g m

-3)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

200

0

200

2

200

4

200

6

200

8

201

0

201

2

201

4

201

6

201

8

media

sup.

hora

rias O

3180 μ

g m

-3

TRF -5.14 % yr-1

IND -7.74 % yr-1

TRF +0.40 % yr-1

IND *

Spain 93.2 percentile 8h O3

Spain, N of exceedances site-1yr-1

180 µg m-3 h-1 O3

IND

TF UBRB

Average+STDV

-STDV

Without statisticalsignificance*

X % Percentage of anual variation




2005 2006 2007 2008

2011 2012

2013 2014

NASA NO2 OMI level 3 Plotted using the Giovanni online data system, developed and maintained by the NASA GES DISCMean annual tropospheric NO2 column (clear, 0-30% cloud) (1014 molec/cm2)

2016

2017

2015

2009 20102018




2ºW 1ºW 0º 1ºE 2ºE 3ºE 4ºE 5ºE 6ºE

43ºN

42ºN

41ºN

40ºN

39ºN

38ºN

37ºN

36ºN

35ºN

Fornells(4)

Montcada(8)

S. Viçent(10)Martorell(7)

Igualada(5)L’Hospitalet(6), Sagrera(9)

S.Andreu (1)Cubelles (3)

Bonavista (2)

Morella (18)

Monagrega(19)

Coratxar(17)

Penyeta (11)Onda (12)

Gandia(16)

G.Vía(15)

Ermita(13)

>1500

750-1500

500-750

0-500

m.s.n.m.

Norte de Africa

Mar

Mediterráneo

cuenca del Ebro

Francia

Regional

h) 00UTC 15 Sep.2000

Atlantic

g) 18UTC 26 Aug.2000

Regional

f) 18UTC 14 Aug.2000

Atlantic

e) 00 UTC 4 Aug. 2000

Regional

d) 18 UTC 1 Aug. 2000

Atlantic

b) 06 UTC 11 July 2000

Regional

c) 18 UTC 19 July 2000

Atlantic

j) 18UTC 12 Oct.2000

Regional

k) 18UTC 18 Oct.2000

Atlantic

l) 18UTC 22 Oct.2000

Regional

a) 18 UTC 30 June 2000

Atlantic

i) 00UTC 20 Sep.2000

HL

H

1018x

x1020

L

1006

x

1012

L

L

x

x

1017

1017

H1018

x

Lx

1010

H

1010

x

x

998

L

x

1035

L

L986

x

H

H

x

1025

H1016

x

1011 LL

x

x

10181012

xL1014

x HH

x

1004

H1024

x

Lx1031

x

L

1013x

1024

L

H

H1021

x

Lx

1034x

1012 x1011

xL1013

1013Lx

HH

1020

x

Lx1018x

1029 1029

Hx

H

H

xL

x

1010

x

1027

1015x

L

1011

1008xL x

H

1017 xH

1018

xH

x L1011

xL1001

H

xL1003

xL988

985xL

xL

1003

x1005

x

H

x

1012

x

x

H

L994

993

L993

Hx

1027

x

H

1027

x1027

H

xL1023

x

H

1026

x H1025

xL

x1026

H

x

L

1021

L980x

Mar Mediterráneo

Albalate

Sénia

Torre Miró

Cuenca del EbroC. Ibérica

Millán et al., 1991, 1996a, 1996b, 1996c, 2000, 2002, 2014; Millán, 2002a; Millán and Sanz, 1999; Mantilla et al., 1997; Salvador et al., 1997, 1999; Gangoiti et al., 2001; Stein et al., 2004, 2005; Castell et al., 2008a, 2008b, 2012; Dieguez et al., 2009, 2014, Plaza et al., 1997

Origen de los episodios de O3 en España


Max-h (N. h >180 µg/m3 O3) July 2015

Case study 1: N of Barcelona-Vic




1500

1000

500

0

m a

.s.l

.

2000

0 20 40 60 80 100 km

1500

1000

500

0

m a

.s.l

.

1500

1000

500

0

m a

.s.l

.

500

0

m a

.s.l

.

0 10 20 km

500

0

m a

.s.l

.

1000

500

0m a

.s.l

.

1000

500

0m a

.s.l

.

A

G’

A’

G

F’F

E’E

D’D

C’C

B’B

A-A’

B-B’

C-C’

D-D’

E-E’

F-F’

G-G’

MAN

TON

GRA

PAR

BMA

F-F’

O3 regionalO3 estratosférico

100 km 80 60 40 20 0 km 020406080100 km

A-A’

DIA 1

O3

pp

b

0 12 23h

020406080100 km

A-A’

DIA 2

020406080100 km

A-A’

DIA 2

020406080100 km

A-A’

DIA 2






Montseny 13/07/2018

Fuente: Colaboración AEMET

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

30 40 50 60 70 80 90 100

O3 (ppb)

08 UTC 12 UTC 17 UTC

Alç

ada

sob

re n

ivel

l mar

t (m

)


0

50

100

150

200

250

05/07/2018 06/07/2018 07/07/2018 08/07/2018 09/07/2018 10/07/2018 11/07/2018 12/07/2018 13/07/2018 14/07/2018 15/07/2018 16/07/2018

TON VIC MAN PARO3 µg/m3

0

50

100

150

200

250

05/07/2018 06/07/2018 07/07/2018 08/07/2018 09/07/2018 10/07/2018 11/07/2018 12/07/2018 13/07/2018 14/07/2018 15/07/2018 16/07/2018

BEG

BEG




0

25

50

75

100

01/08 02/08 03/08 04/08 05/08 06/08 07/08 08/08 09/08

O3_CTL ppb O3 TON ppb VVM (10 m) km/h DVM/10

Nits anteriors episodivent màx a la nit, NW

No hi ha brisa


BARCELONA CITY JULY-AUGUST 2018



17

16

15

19

18

13

13

14

100 119

120 149

150 179

180 199

200 215

13

30/07-02/08/2018

15

20

16

15

11

17

14

14

14

04-05/08/2018numbers indicate

time (LT) of maxima

Hourly maxima of O3

(µg/m3)

15

15

15

12

12

12

12

11

12

06/08/2018



JULY-AUGUST 2018


A-A’ B-B’

CSIC(MADRID)

CSICCIEMAT

ISCIII

MJDH

MJDH-R.C.

city

17 km

N

1000

500

GUADALAJARACSIC (MAD)TOLEDO

50 75 150 200 250 3 00

2000

1500

1000

50025 50 75 100 125 150 170

MJDH CSIC (MAD)CIEMAT

A-A’

B-B’

Guadarrama M.R.

Toledo Ms. Iberian R.

Elev

atio

n (

m a

.s.l.

)

Distance (km)

Distance (km)

54 km

Case study 2: Madrid



O3 (ppb)

Hei

ght

(m a

.s.l.

)

12/07/1994 08:15 h UTC

0 30 60 90 120 150

-60 -40 -20 0 20 40 60

8000

6000

4000

2000

0

15/07/1993 05:15 h UTC09:45 h UTC12:00 h UTC

O3 ppb ( )

Alt

itu

de

m a

.g.l

.

TemperaturePlaza et al., 1997

AEMET July 2016 Free sounding





VENTING/TROUGHING (VT EVENT)Free troposphere. Strong winds

Occasional high O3 strata (regional-external, free-troposphere O3)

Surface layer, occasionally stably stratified

Low O3 concentrations, titrationStrong winds SW-NE

Low O3 (mixed, more external)Intense ventilation, no

accumulation from the day beforeMechanical Turbulence

• Strong winds, shear & channeling• Neutral–dry adiabatic stratification• No nighttime increasing stabilization• No residual layer (well vented)

SW-NE PBLH

3500/4000 m a.s.l. (max PBL day before)

Initiates S-WTerminates NW

Alt

itu

de

- O3 (ppb) +

Titration08:00 20:00 12:00 UTC

Titration

Thicker PBL: > 2000-2500 m a.s.l. at 12:00 UTC

Rapid growing up to 3500/4000 mIntense mechanical & convective

turbulence; Intense convection

• Moderate/strong winds(channeling)• Channeling effects SW-NE• range of wind directions

Strong winds

3500/4000 m a.s.l.(máx. PBLH)

No O3 accumulation in the PBLNo re-circulatory winds

New O3 /UFP formationO3 fumigation

SW/NWFree troposphere

Fumigation

X X YACCUMULATING/RIDGING (AR EVENT)

Higher O3 (mixed external + Local)Low ventilation, re-circulatory winds, accumulation from the day before No Turbulence

NE’ly jet over stably stratified surface layer Low O3 concentrations, titrationLight winds (NE).

Free troposphere. Light windsOccasional high O3 peaks (regional-external, free-troposphere O3)

NE

NE-S

1500/2500 m a.s.l. (top of the residual layer)

PBLH

• Light winds, variable directions (NE-S)• Neutral-dry adiabatic stratification• Increasing stabilization/sinking• Well developed residual layer

Initiates NWTerminates S-W

- O3 (ppb) +

08:00 20:00 12:00 UTCº

O3 Potential T High altitude O3 strata

Convection

UFP Height PBL

Turbulence Sinking Thermally driven circulations

S

Thinner PBL: < 1500 m a.s.l. at 12:00 UTCSlower deepening to 1500/2500 m Intense convective turbulenceAdditional O3 formation of local origin Thermally driven wind veering NES SW Intense convection

O3 accumulation in the PBLRe-circulation over the MMA basinNew ozone/UFP formation, O3 fumigation

• Wind veering during daytime NES SW

• Light winds

Light winds

1500/2500 m a.s.l. (máx. PBLH)

NW/SWFree troposphere

Fumigation

Local/Regionalcontributions

N SN





A

A’

50 100 150 200 250 300 350 400 450km

1500

1000

500

0

ms.

n.m

. A-A’

LOR TRNLFTZ

B-B’ C-C’ D-D’

50 100 150 0 50 100 0 50 100 150km

ms.

n.m

.

2000

1500

1000

500

0

O. A

tlá

nti

co

B

LFTZ

B’

C

C’

D

D’

Case study 3: Guadalquivir Valley





Average percentile 93.2 O3 2005-2018, dossimetres average of May 2006-2017

Minimum 6 years of valid data: (minimum of 75% APR-SEP of O3 hourly data availability)

CerroVíznar

Las Fuentezuelas

Bédar

Campillos

Villaharta

Asomadilla

Ronda del Valle

Villanueva del

Arzobispo

Ciudad Deportiva

Arcos

Valverde

MazagónMatalascañas

El Arenosillo

Alcalá de Guadaira

Santa Clara

Aljarafe

Centro, Bermejales

O3 Mayo (µg m-3)

66-80 [8]80-100 [44]100-120 [33]120-133 [9]

97-107 [8]107-115 [15]115-120 [19]120-130 [20]

O3 p 93.2 (µg m-3)




Average number of h exceedances > 150 μg m-3 O3 per site per year 2005-2018

Years with minimum of 75% APR-SEP hourly data availability. Minimum of 7 years of valid data within 2005-2018



Horas O3>150 μg m-3

por estación y año

<2,5 [21]2,5 −10 [19]10 −25 [14]>25 [5]

Sevilla





Montly means daily O3 máxima of 8-h moving averages, 2005 – 2018

Magalhães

CerroVíznar

Las Fuentezuelas

Bédar

Campillos

Alcornocales

Villaharta

Sierra Norte

Asomadilla

Villanueva del Arzobispo

Bailén

Santa Clara

El Boticario

La Línea

Aljarafe

San Fernando

Valverde

La Orden

La RábidaMazagón

MatalascañasArcos

Alcalá de GuadairaCentro

Tipo ciclo O3 mensual

abcd

40

60

80

100

120

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

O3

µg

m-3

Bédar El Boticario La Línea

San Fernando Magalhães

40

60

80

100

120


O3

µg

m-3

Arcos Alcornocales La Orden

La Rábida Matalascañas Mazagón

Cerro40

60

80

100

120


O3

µg

m-3

Asomadilla BailénLas Fuentezuelas V.ArzobispoA.Guadaira AljarafeCentro Santa Clara

40

60

80

100

120

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecO

3 µ

g m

-3

Villaharta Víznar Valverde

Campillos Sierra Norte

a b c d



0

2

4

6

8

Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun

no

rmal

ized

exc

eed

. O3>

15

0 µ

g m

-3

Aljarafe Centro

Santa Clara A.Guadaira

0

2

4

6

8


no

rmal

ized

exc

eed

. O3>

15

0 µ

g m

-3

Bédar Alcornocales

La Línea El Boticario

0

2

4

6

8


no

rmal

ized

exc

eed

. O3>

15

0 µ

g m

-3

Sierra Norte

Villaharta

Asomadilla

Las Fuentezuelas

0

2

4

6

8


no

rmal

ized

exc

eed

. O3>

15

0 µ

g m

-3

Magalhães Valverde

La Rábida Mazagón

Matalascañas Cerro

San Fernando Arcos

2005-2018 montly averages of hourly exceedances site-1 yr-1 of O3 150 μg m-3





• El problema del O3 es uno de los más complejos en la calidad del aire; las soluciones serán por tanto complejas también

• Las superaciones de 180 μg m3 de h-O3 se registran en 7 áreas específicas de España y tienen contribuciones locales, regionales y de larga distancia. Se necesitan políticas a 3 escalas, PERO LA LOCAL / REGIONAL ES MUY IMPORTANTE para reducir los episodios más agudos

• La contribución de las 3 escalas al O3 varía en las diferentes cuencas y en el tiempo• Las diferentes cuencas aéreas requieren un estudios individualizado pero teniendo en

cuenta aportes externos a diferentes escalas• Para reducir el O3 es necesario disminuir los precursores estructuralmente (mayo-

agosto), además de aplicar medidas episódicas; para ello son necesarios estudios de modelización-sensibilidad

• Muy IMPORTANTE TENER EN CUENTA CONCEPTOS DE CARGA CRÍTICA: Muchos focos en una zona, todos cumpliendo la legislación ene misiones de precursores pueden dar problemas grandes de O3.

• Las medidas episódicas pueden ser efectivas para los episodios más agudos si:– Se llevan a cabo pronósticos meteorológicos de episodios de recirculación y

profundidad de la capa de mezcla (Millán et al., 1997 y 2000)– Estudios de sensibilidad específicos para reducciones de COV y NOX.

• Los episodios máximos disminuyeron en la última década y el O3 urbano está creciendo y el impacto en el aumento de los radicales (y PM2.5 y OVOCs) ya está demostrado

Consideraciones finales



Agradecimientos

¡Muchas gracias por su atenció[email protected]

house.HIGH OZONE, ULTRAFINE PARTICLES AND

SECONDARY ORGANIC AEROSOLSCGL2016-78594-R



Episodios de ozono en España 40 3 20 µgO · 2019-06-17 · • Alquenos • Carbonilos...

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