Dinámica e impacto de emisiones antrópicas y naturales en una ciudad andina empleando un modelo euleriano de transporte químico on-line. Caso de estudio: Manizales, Colombia

Ciudades intermedias de países emergentes en Latinoamérica están experimentando un rápido crecimiento. Sin embargo, el estudio de temas relacionados con las emisiones de contaminantes al aire y su dinámica de transformación y dispersión es limitado, aumentando su vulnerabilidad a potenciales efectos adversos derivados de episodios de contaminación atmosférica. Para suplir esta deficiencia, la modelización atmosférica y de calidad del aire se establece como una herramienta fundamental. Sin embargo, su uso en Colombia es limitado, especialmente en ciudades intermedias. En la primera fase de la investigación, se analizó la contribución a las emisiones de contaminantes del aire en Manizales por fuentes antropogénicas (móviles en ruta y estacionarias puntuales). Se estimaron los flujos anuales de contaminantes criterio, NMVOC, y gases efecto invernadero. Los resultados obtenidos sugieren que la actividad vehicular contribuye con más del 90% de las emisiones para la mayoría de contaminantes evaluados. Las emisiones CO (43.4 Gg/año) y NMVOC (9.6 Gg/año) estuvieron asociadas principalmente al uso de motocicletas (50% y 81% del total de emisiones respectivamente). Los buses de transporte público fueron las principales fuentes de PM10 (47% - 0.36 Gg/año) y NOx (48% - 2.4 Gg/año). Las emisiones antropogénicas fueron desagregadas en tiempo (1h) y espacio (1 km2) aplicando una metodología top-down basada en distribución de conteos vehiculares y densidad de la red vial. Esta técnica permitió identificar puntos críticos de emisión en el centro histórico y zonas residenciales-comerciales. Posteriormente, el modelo de simulación de calidad del aire, WRF-Chem, fue utilizado para evaluar la dinámica de dispersión y transformación de los contaminantes O3, SO2 y PM10 en Manizales durante un periodo seco en 2015. Las simulaciones de calidad del aire permitieron evaluar el impacto relativo de las emisiones antropogénicas en la calidad del aire de Manizales; así como el impacto de emisiones volcánicas en la dinámica del SO2. Adicionalmente, la representatividad del uso del inventario local versus inventarios globales en la descripción de la dinámica del O3 y PM10 en Manizales fue analizada. Los resultados mostraron mejoras significativas al utilizar el inventario local en las simulaciones, obteniendo mejores estadísticos de desempeño para el O3 (RMSE = 8.8 ppb, r = 0.81); en comparación con los obtenidos al evaluar inventarios globales (RMSE = 13.9 ppb, r = 0.64). Resultado similar se tuvo para concentraciones de PM10 con valores de 11.5 µg/m3 (RMSE) mediante el uso del inventario local, en comparación con los valores obtenidos usando datos de emisión global (RMSE = 28.8 µg/m3). El análisis del impacto relativo de las fuentes de emisión, permitió evidenciar que la química de formación de ozono y los niveles de PM10 en el aire ambiente de Manizales, son controlados por las emisiones provenientes de fuentes móviles en ruta. En el caso de los perfiles de SO2, durante el periodo de estudio se evidenció un mayor impacto de las emisiones antropogénicas en las concentraciones de este contaminante en la ciudad. Este estudio provee información valiosa en el entendimiento de procesos de emisión, transporte y transformación de contaminantes del aire en ecosistemas de montaña, y establece bases sólidas para la implementación de políticas públicas en la gestión de la calidad del aire de ManizalesAbstract: Cities in emerging countries are facing a fast growth and urbanization; however, the study of air pollutant emissions and its dynamics is scarce, making their populations vulnerable to potential effects of air pollution. This situation is critical in medium-sized urban areas built along the tropical Andean mountains. Atmospheric modeling has been recognized as an essential tool for studying the impacts and dynamics of gases and aerosols on air quality of urban environments. However, their use in Colombia is scarce, especially in medium-sized cities. This work evaluates first the contribution of on-road vehicular and point-source industrial activities in the medium-sized Andean city of Manizales, Colombia. Annual fluxes of criteria pollutants, NMVOC, and greenhouse gases were estimated. Emissions were dominated by vehicular activity, with more than 90% of total estimated releases for the majority of air pollutants. On-road vehicular emissions for CO (43.4 Gg/yr) and NMVOC (9.6 Gg/yr) were mainly associated with the use of motorcycles (50% and 81% of total CO and NMVOC emissions respectively). Public transit buses were the main source of PM10 (47% - 0.36 Gg/yr) and NOx (48% - 2.4 Gg/yr). The emissions were disaggregated in space (1 km2) and time (1 h) through the application of a top-down method based on the analysis of traffic flow levels and road network distribution, allowed the identification of several hotspots of emission in the downtown zone and the residential and commercial area of Manizales. Local emissions were employed in the evaluation of the fully-coupled on-line WRF-Chem model for analyzing dynamics of O3 PM10 and SO2 pollution in Manizales during a dry period in 2015. The numerical study aimed to evaluate the relative impact of on-road vehicular and industrial point-source emissions on PM10 and O3 dynamics in the city; as well as, the impact of volcanic and anthropogenic emissions in SO2 dynamics. Furthermore, the influence of using local or global emission inventories (EI) in the representation of O3 profiles and PM10 concentrations in the medium-sized Andean city of Manizales was analyzed. The use of local emission fluxes in a high-resolution WRF-Chem simulation, allowed significant improvements in of O3 and PM10 representation, characterized by a better performance metrics RMSE (8.8 ppb) and r coefficient (0.81), than that obtained from the use of a global database (RMSE = 13.9 ppb and r = 0.64 ). A similar pattern was obtained for PM10 concentrations with values of 11.5 µg/m3 (RMSE) using the local EI, compared with those obtained from simulations with the global EI (RMSE = 28.8 µg/m3). Analysis of the relative impact of anthropogenic emissions suggests that PM10 levels and ozone chemistry in the urban area of Manizales were controlled by emissions of its precursors from on-road vehicular sources. Furthermore, results suggested that anthropogenic sources controlled SO2 dynamics in the urban area of the city. Results obtained in this study provides additional bases to improve the understanding of air pollutant fluxes, transport and transformation in the atmosphere over mountainous ecosystems, and provides valuable tools to local public policy decisions.Doctorad