Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG – USP · O ozônio é um composto secundário, formado a partir de reações fotoquímicas que envolvem principalmente os compostos

Universidade de São Paulo

Pós-Graduação em Meteorologia

Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG – USP

AVALIAÇÃO DA ACURÁCIA DO MODELO EULERIANO UAM-V NA

REPRESENTAÇÃO DO COMPORTAMENTO DOS COMPOSTOS

OXIDANTES FOTOQUÍMICOS NA ATMOSFERA DE SOROCABA

Daniel Constantino Zacharias

Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG/USP

Orientadora: Profa. Maria de Fátima Andrade

Avaliação da Acurácia do Modelo Euleriano UAM-V na Representação do Comportamento dos Compostos Oxidantes Fotoquímicos na Atmosfera de

Sorocaba Sumário

Pág. 1/1

SUMÁRIO

RESUMO...................................................................................................................1

I INTRODUÇÃO .................................................................................................I-1

I.1 ÁREA DE ESTUDO .................................................................................I-6

I.1.1 CARACTERÍSTICAS METEOROLÓGICAS DA REGIÃO ..........I-6

I.1.2 CARACTERÍSTICAS DO MEIO AMBIENTE URBANO DA

REGIÃO ...............................................................................................I-15

I.1.3 OBJETIVOS...............................................................................I-18

II MODELO FOTOQUÍMICO DE QUALIDADE DO AR .....................................II-1

II.1 DESCRIÇÃO DO URBAN AIRSHED MODEL .......................................II-2

II.2 DESCRIÇÃO DO MECANISMO FOTOQUÍMICO UTILIZADO..............II-9

II.3 REGIÃO SIMULADA E DADOS DE ENTRADA DO MODELO ...........II-16

II.3.1 DESCRIÇÃO DAS GRADES ...................................................II-16

II.3.2 CONDIÇÕES DE CONTORNO................................................II-18

II.3.3 FORÇANTES METEOROLÓGICAS DO MODELO.................II-20

II.3.4 EMISSÕES DAS FONTES MÓVEIS E ESTACIONÁRIAS EM

SUPERFÍCIE.......................................................................................II-22

III SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO EVENTO OCORRIDO DURANTE OS

DIAS 05-10/09/04...........................................................................................III-1

III.1 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE EXTERNA............III-2

III.2 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE INTERNA.............III-9

IV SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO EVENTO OCORRIDO DURANTE OS

DIAS 16-20/10/04.......................................................................................... IV-1

IV.1 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE EXTERNA........... IV-2

IV.2 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE INTERNA............ IV-8

V VALIDAÇÃO E ANÁLISES DOS RESULTADOS .......................................... V-1

VI CONCLUSÕES ............................................................................................. VI-1

VII BIBLIOGRAFIA............................................................................................. VII-1


Sorocaba Lista de Tabelas

Pág. 1/1

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Frota dos municípios de Sorocaba e Votorantim em 2004 (fonte: IBGE)............................................................................................................. I-15

Tabela 2 – Estimativa das fontes de poluição do ar de Sorocaba e Votorantim em 2003 (fonte: CETESB). ................................................................................. I-16

Tabela 3 – Taxas de Fotólise utilizadas pelo mecanismo químico Carbon Bond.. II-5

Tabela 4 – Espécies químicas representadas no Carbon Bond. ....................... II-12

Tabela 5 – Reações químicas representadas pelo Carbon Bond...................... II-13

Tabela 6 – Estatísticas de acurácia da modelagem para o período de 05-10/set/2004. ...................................................................................................V-3

Tabela 7 – Estatísticas de acurácia da modelagem para o período de 16-20/ago/2004. ..................................................................................................V-4


Sorocaba Lista de Figuras

Pág. 1/4

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Perfil da variação horária das concentrações de NO, NO2 e O3

verificado em estudos anteriores de eventos ocorridos em 2002 (CETESB, 2004). .............................................................................................................. I-3

Figura 2 - Localização do Município de Sorocaba e definição da área de estudo. I-7

Figura 3 - Média climatológica do vento em 850hPa para o mês de agosto, em m/s................................................................................................................... I-8

Figura 4 - Média climatológica do vento em 850hPa para o mês de setembro, em m/s................................................................................................................... I-9

Figura 5 - Média do vento de superfície para o período de 16-20/08/2004. em m/s................................................................................................................. I-10

Figura 6 – Anomalia da temperatura do ar em superfície para o período de 16-20/08/2004. em oC. ....................................................................................... I-11

Figura 7 – Anomalia da pressão atmosférica em superfície para o período de 16-20/08/2004. em hPa...................................................................................... I-11

Figura 8 – Anomalia da altura geopotencial em 500hPa para o período de 16-20/08/2004 em metros. ................................................................................. I-12

Figura 9 - Média do vento de superfície para o período de 05-10/09/2004, em m/s................................................................................................................. I-13

Figura 10 - Anomalia da temperatura do ar em superfície para o período de 05-10/09/2004, em oC. ....................................................................................... I-13

Figura 11 - Anomalia da pressão atmosférica em superfície para o período de 05-10/09/2004, em hPa...................................................................................... I-14

Figura 12 - Anomalia da altura geopotencial em 500hPa para o período de 05-10/09/2004, em metros. ................................................................................ I-14

Figura 13 – Municípios de Sorocaba e Votorantim e localização da estação automática da CETESB (Fonte: Google Earth – foto superior e CETESB – foto inferior). .................................................................................................. I-17

Figura 14 - Grade computacional utilizada nas simulações de efeitos de borda sobre a região do estudo. ............................................................................ II-16

Figura 15 - Grade computacional utilizada nas simulações em escala urbana dos municípios de Sorocaba e Votorantim......................................................... II-17

Figura 16 – Aninhamento das duas grades utilizadas na simulação de Sorocaba...................................................................................................................... II-18

Figura 17 – Variação espacial das condições de contorno da grade externa... II-19



Pág. 2/4

Figura 18 – Razões entre as médias diárias do período e a média diária do ano

de 2004 para NOX, HCNM e a razão HCNM/NOX em (ppmC/ppm), calculadas para 05 a 10 de setembro de 2004.............................................................. II-23

Figura 19 – Razões entre as médias diárias do período e a média diária do ano de 2004 para NOX, HCNM e a razão HCNM /NOX em (ppmC/ppm), calculadas para 16 a 20 de agosto de 2004................................................ II-24

Figura 20 – Razões horárias das emissões veiculares de NOX e HCNM utilizadas nas simulações. ........................................................................................... II-24

Figura 21 – Médias horárias das concentrações de ozônio para as estações automáticas da CETESB em São Paulo (estação do Ibirapuera) e Sorocaba (em ppm)....................................................................................................... III-2

Figura 22 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade externa. ......................... III-3

Figura 23 – Média horária das concentrações de NO2 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade externa. ......................... III-4

Figura 24 – Média horária das concentrações de O3 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade externa. ......................... III-5

Figura 25 – Concentração de O3 (em ppm) no dia 05/set/2004 às 12h para a grade externa ................................................................................................ III-6






Figura 31 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade interna. .......................... III-9

Figura 32 – Média horária das concentrações de NO2 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V utilizando para a grade interna. ........ III-10

Figura 33 – Média horária das concentrações de O3 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade interna. ........................ III-11

Figura 34 – Concentração de O3 (em ppm) no dia 05/set/2004 às 15h para a grade interna ............................................................................................... III-12



Pág. 3/4

Figura 35 – Concentração de O3 (em ppm) no dia 06/set/2004 às 15h para a

grade interna ............................................................................................... III-12





Figura 40 – Médias horárias das concentrações de ozônio para as estações automáticas da CETESB em São Paulo (Ibirapuera) e Sorocaba (em ppm).IV-1

Figura 41 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da Estação de Sorocaba e o resultado do modelo para o mesmo ponto ............................IV-3

Figura 42 – Média horária das concentrações de NO2 (em ppm) da Estação de Sorocaba e os resultados da simulação com o modelo (NO2_UAM). .........IV-4

Figura 43 – Média horária das concentrações de O3 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V utilizando a grade externa. .................IV-5

Figura 44 – Concentração de O3 (em ppm) no dia 16/set/2004 às 12h para a grade externa ................................................................................................IV-6





Figura 49 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da Estação de Sorocaba e resultado das simulações com o modelo UAM.........................IV-9

Figura 50 – Média horária das concentrações de NO2 (em ppm) da Estação de Sorocaba e resultados da simulação com o UAM......................................IV-10

Figura 51 – Média horária das concentrações de O3 (em ppm) da Estação de Sorocaba e resultado da simulação com o UAM. ......................................IV-11

Figura 52 – Concentração de O3 (em ppm) no dia 16/set/2004 às 15h para a grade interna ...............................................................................................IV-12



Pág. 4/4

Figura 53 – Concentração de O3 (em ppm) no dia 17/set/2004 às 15h para a

grade interna ...............................................................................................IV-12





Sorocaba Resumo

Pág. 1/3

RESUMO

O crescimento populacional e industrial em todo o estado de São Paulo

resulta em um impacto ambiental contínuo sobre essa área. A cada ano, várias

toneladas de compostos químicos são emitidas na atmosfera, gerando impactos,

à saúde e ao meio ambiente. Em regiões próximas às grandes áreas urbanas as

concentrações dos poluentes atmosféricos são devido não somente às emissões

das fontes locais mas também ao transporte de espécies poluidoras dessas

regiões contaminadas.

Neste trabalho é avaliado o impacto em Sorocaba das emissões e transporte

de ozônio e seus precursores a partir da Região Metropolitana de São Paulo e de

Campinas.

O ozônio é um composto secundário, formado a partir de reações

fotoquímicas que envolvem principalmente os compostos orgânicos voláteis

(COV) e os óxidos de nitrogênio (NOx), esses dois grupos de compostos, têm

como fonte principal a emissão veicular. O mecanismo fotoquímico que envolve a

formação do ozônio é bastante complexo. Estudos confiáveis de formação de

ozônio troposférico em regiões urbanas necessitam de modelos sofisticados que

resolvam a parte fotoquímica considerando as condições atmosféricas locais

O objetivo desse trabalho é analisar a viabilidade da utilização do modelo

UAM-V, recomendando pela EPA (Environmental Protection Agency –Agência de

Proteção Ambiental Americana) para a descrição da formação de ozônio em

escala urbana, tomando como exemplo a cidade de Sorocaba e o impacto das

emissões de poluentes atmosféricos da Região Metropolitana de São Paulo,

Campinas e Paulínia. Foram realizadas simulações de formação de ozônio para

dois episódios ocorridos em 2004 (16-20/08 e 5-10/09) com ultrapassagem do

padrão primário de qualidade do ar de (160 g/m3) e ultrapassagem do padrão de

atenção (200 g/m3).

O município de Sorocaba está localizado no estado de São Paulo, cerca de

90 quilômetros a oeste da Região Metropolitana de São Paulo e também a cerca

de 80 quilômetros dos municípios industrializados de Campinas e Paulínia. Em

Sorocaba, nesses últimos seis anos (2000-2005), foram registrados 45 dias com

ultrapassagem do padrão primário (160 g/m3) e 8 dias com ultrapassagem do


Sorocaba Resumo

Pág. 2/3

nível de atenção (200 g/m3), sendo agosto, setembro e outubro o trimestre com

as maiores concentrações observadas de ozônio.

Nesse estudo foram utilizadas duas grades aninhadas, uma em escala maior

para simular os efeitos de transporte de poluentes de São Paulo, Campinas e

Paulínia para Sorocaba e uma outra, menor sobre Sorocaba e Votorantim, para

simular a formação de ozônio em escala urbana.

O modelo utilizado nesse estudo apresentou muitas características positivas,

sendo a descrição das condições de fronteira no UAM uma das principais, pois

permitiu que estruturas complexas como a RMSP, fossem descritas a partir das

concentrações das medidas ambientais na borda da grade.

Embora com perda de acurácia, o modelo se mostrou capaz de reproduzir

eventos altamente complexos, como os utilizados nesse estudo, ou seja, eventos

longos e extremamente intensos, com vários dias de muita formação de ozônio.

No evento de setembro fica evidente a contribuição de São Paulo para a

formação do ozônio troposférico em Sorocaba, ao passo que o evento de agosto

mostra que Sorocaba possui um potencial significativo para formação de ozônio,

pois mesmo em eventos que não possuem a contribuição de São Paulo, ocorre a

formação e acúmulo de ozônio troposférico. Essas simulações mostraram a

importância da descrição da circulação atmosférica para a formação do ozônio e

na ocorrência de violações de padrões de qualidade do ar.

ABSTRACT

The consequence of increased population growth, coupled with industrial

growth in the whole of the state of São Paulo, has had a constant envirormental

effect on the area. Several tons of chemical waste are emitted into the atmosphere

every year, creating formidable influences on everything from health to

environment.

The formation of the ozone is quite complex. It is a secondary composition,

formed by the photochemical reactions that mainly involve volatile, organic

compost (COV) and nitrogen oxide (NOx). Both of these chemical groups are

issued predominantly from motor vehicles. Reliable studies concerning the


Sorocaba Resumo

Pág. 3/3

formation of the tropospheric ozone in urban areas need sophisticated models

which can determine the photochemical segment based on the local atmospheric

conditions.

The object of this project is to analyze the plausibility of using model UAM-V,

which is recommended by the EPA as a standard description for the makeup of

the ozone in urban areas, using as an example the city of Sorocaba and the

surrounding areas. There were two simulations of the formulation of the ozone

made in 2004 (Aug. 16-20 and Sept. 5-10) registering higher than the minimum

standard (160 g/m3) and also high alert (200 g/m3).

The city of Sorocaba is situated roughly 90 kilometers to the west of the

greater metropolitan area of São Paulo and also about 80 kilometers from the

industrial zones of the cities of Campinas and Paulinia. In the last six years (2000

– 2005) Sorocaba has registered 45 days of higher than minimum standard (160

g/m3) and 8 days of high alert (200 g/m3); August, September and October

being the months with the highest concentration.

Two nested grids were used in this project; one on a large scale to simulate

the effects of transport pollutants from São Paulo, Campinas and Paulinia on

Sorocaba and the other on a smaller scale to simulate the composition of the

ozone on urban areas such as the cities of Sorocaba and Volorantim.

There were many positive points presented by the model used in this project,

a description of the boundary conditions of the UAM being one of the preeminent

ones. It allows complex structures such as RSMP to be represented on the border

of the grid by using concentrations of envirormental measurements.

Although there is a slight loss of accuracy, the model is capable of

reproducing very complex events like those used in this study, or even very

extensive and prolonged occurrences including several days of ozone

development.

The month of September in question shows an obvious influence on the

development of the tropospheric ozone in Sorocaba. The August in question

shows that Sorocaba, itself, has considerable potential for the formation of the

ozone because even in occurrences that are not influenced by São Paulo, there

are formations and accumulations in the tropospheric ozone.


Sorocaba

Introdução I

Pág. I-1/18

I INTRODUÇÃO

O crescimento populacional e industrial em todo o estado de São Paulo

resulta em um impacto ambiental contínuo sobre essa área. A grande quantidade

de veículos e de processos industriais emite a cada ano, várias toneladas de

compostos químicos reativos na atmosfera, que geram impactos, diretos e

indiretos, à saúde e ao meio ambiente. Dessa forma, é crescente a preocupação

em se conhecer os processos que afetam as regiões metropolitanas e as grandes

cidades do estado, assim como as melhores ferramentas para se abordar esse

tipo de questão.

Os poluentes atmosféricos podem ser definidos como: qualquer substância

presente no ar que pela sua concentração possa torná-lo impróprio, nocivo ou

ofensivo à saúde, inconveniente ao bem-estar público, danoso aos materiais, à

fauna e à flora ou prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade e às

atividades normais da comunidade (Seinfeld, 1975; CETESB, 1990).

Os poluentes, com relação à sua origem, podem ser classificados

basicamente como primários (emitidos diretamente das fontes) ou secundários

(formados na atmosfera devido às reações químicas dos compostos ali

presentes). Em uma atmosfera urbana, existem vários desses poluentes em

concentrações diferentes, reagindo entre si e formando outros compostos,

aumentando assim o número de espécies presentes no ar.

Atualmente, um dos compostos mais estudados é o ozônio, devido ao fato

de ser bastante agressivo à saúde humana, às plantas e aos animais em

concentrações acima do padrão de qualidade do ar, e também, por conta da

complexidade que envolve a representação da sua formação fotoquímica na

atmosfera. Além disso, o ozônio na região da troposfera absorve a radiação

terrestre emergente, contribuindo para o efeito estufa (Colbeck e Mackenzie,

1994).

O ozônio é um composto secundário, formado a partir de reações

fotoquímicas que envolvem principalmente os compostos orgânicos voláteis

(COV) e os óxidos de nitrogênio (NOx), sendo que esses dois grupos de

compostos, tem como fonte principal a emissão veicular. Segundo a CETESB,

cerca de 90% dos poluentes precursores do ozônio são emitidos pelos veículos

(CETESB, 2003).


Sorocaba

Introdução I

Pág. I-2/18

Os principais fatores que determinam as concentrações do ozônio em áreas

metropolitanas e proximidades podem ser considerados como sendo:

- A distribuição espacial e temporal das fontes de emissão de NOX e

compostos orgânicos voláteis (de origem biogênica e antropogênica);

- A razão COV/ NOX emitidos;

- A composição química dos COVs emitidos;

- A variação espacial e temporal dos campos meteorológicos;

- Reações químicas envolvendo COV, NOX e outras espécies importantes.

- As variações diurnas de radiação solar incidente sobre a baixa troposfera e

a temperatura do ar;

- A remoção do ozônio e de seus precursores por deposição seca e úmida;

- A concentração de fundo de COV e NOX na região de estudo;

- A advecção do ozônio e de seus precursores de outras regiões.

O mecanismo fotoquímico que envolve a formação do ozônio é bastante

complexo, pois além de descrever muitas reações, existe a dificuldade de se

quantificar os diferentes compostos orgânicos emitidos e os radicais presentes na

atmosfera. Além disso, todo esse processo é altamente dependente das

condições meteorológicas locais, presentes durante as reações fotoquímicas.

Devido a esses fatores, para estudos confiáveis de formação de ozônio

troposférico em regiões urbanas, são necessários modelos matemáticos

sofisticados que resolvam toda essa parte fotoquímica considerando as condições

atmosféricas locais.

Um padrão de qualidade do ar define legalmente o limite máximo para a

concentração de um componente atmosférico que garante a proteção da saúde e

do bem estar das pessoas. Os padrões de qualidade do ar são baseados em

estudos científicos dos efeitos produzidos por poluentes específicos e são fixados

em níveis que possam propiciar uma margem de segurança adequada. Em

relação aos critérios para episódios agudos, o padrão primário (máximo horário)

nacional para ozônio, estabelecido pelo CONAMA é de 160 g/m3 e o nível de


Sorocaba

Introdução I

Pág. I-3/18

atenção definido pelo CONAMA é de 400 g/m3 para máximo valor horário. No

Estado de São Paulo, a legislação estadual é mais restritiva para o ozônio,

estabelecendo o nível de atenção em 200 g/m3 em 1 hora (CETESB, 2004).

Estudos anteriores mostram que durante episódios de formação de ozônio, o

comportamento médio das concentrações de NO, NO2 e O3 em Sorocaba é muito

semelhante ao comportamento típico encontrado na literatura, ou seja, há um pico

de NO às 8 horas da manhã, provavelmente devido ao tráfego de veículos; por

volta das 9 horas há um ligeiro aumento de NO2, que decresce logo em seguida

com o início do aumento de concentração de O3 que atinge um máximo às 15

horas. A concentração de NO atinge valores muito baixos no período de

concentrações mais altas de ozônio (CETESB, 2004).

A Figura 1 apresenta a média horária das concentrações de NO, NO2 e O3,

para eventos de formação de ozônio troposférico em Sorocaba durante o ano de

2002, a partir de medidas da estação automática de monitoramento de poluentes

em Sorocaba da CETESB.

Figura 1 – Perfil da variação horária das concentrações de NO, NO2 e O3 (em ppb) verificado em estudos anteriores de eventos ocorridos em 2002 (CETESB, 2004).

O objetivo desse trabalho é analisar a viabilidade da utilização do modelo

UAM-V, recomendando pela EPA para a descrição da formação de ozônio em

escala urbana, tomando como exemplo a cidade de Sorocaba e adjacências.

Foram realizadas simulações de formação de ozônio em escala urbana, para a

região de Sorocaba, em dois episódios ocorridos em 2004 (16-20/08 e 5-10/09)


Sorocaba

Introdução I

Pág. I-4/18

com ultrapassagem do padrão primário de qualidade do ar de (160 g/m3) e

ultrapassagem do padrão de atenção (200 g/m3), segundo a Legislação

Estadual. Os resultados das simulações com o UAM-V foram comparados com as

medidas ambientais da estação automática de monitoramento de poluentes da

CETESB em Sorocaba.

Através da portaria normativa n.o 348 de 14/03/90 o IBAMA estabeleceu os

padrões nacionais de qualidade do ar e os respectivos métodos de referência,

ampliando o número de parâmetros anteriormente regulamentados pela portaria

GM 0231 de 27/04/76. Essa portaria foi, posteriormente, submetida ao CONAMA

e transformada na resolução CONAMA n.o 03/90. Nesta resolução são

estabelecidos dois tipos de padrão da qualidade do ar, os padrões primários e os

secundários.

Os padrões primários de qualidade do ar são definidos como as

concentrações de poluentes que, se ultrapassadas poderão afetar a saúde da

população. Podem ser entendidos como níveis máximos toleráveis de

concentração poluentes atmosféricos, constituindo-se em metas de curto e médio

prazo.

Os padrões secundários de qualidade do ar são definidos como as

concentrações de poluentes atmosféricos abaixo dos quais se prevê o mínimo

efeito adverso sobre o bem estar da população, assim como o mínimo dano à

fauna e à flora, aos materiais e ao meio ambiente em geral. Podem ser

entendidos como níveis desejados de concentração de poluentes, constituindo-se

em metas de longo prazo.

A Legislação Estadual (DE 8468 de 08/09/76) também estabelece padrões e

critérios para episódios agudos de poluição do ar, mas abrange um número

menor de parâmetros. Os parâmetros comuns às legislações federal e estadual

possuem os mesmos padrões e critérios, com exceção dos critérios de episódio

para ozônio. Nesse caso a Legislação Estadual é mais rigorosa para o nível de

atenção (200 g/m3).

A cidade de Sorocaba é uma escolha adequada para realizar um estudo de

formação de ozônio troposférico considerando o impacto do transporte de fontes

remotas devido à sua localização (a oeste da RMSP). Isso é feito através de uma

boa representação das fontes remotas localizadas na fronteira da grade. Outro


Sorocaba

Introdução I

Pág. I-5/18

ponto importante é a existência de uma estação da CETESB de monitoramento

da qualidade do ar nessa cidade.

Embora esse seja o primeiro estudo com o UAM-V em São Paulo, os

estudos de formação do ozônio troposférico na RMSP foram iniciados no

Departamento de Ciências Atmosféricas em 1994, utilizando o modelo CIT

desenvolvido no California Institute of Technology – Caltech e Carnegie Mellon

University (McRae, 1982 e 1992).

A partir dos dados de experimentos meteorológicos, em especial o EMIII

(Experimento Meteorológico III) ocorridos em 1989, foram realizados os primeiros

estudos utilizando o modelo CIT (Andrade et al., 1996 e Cardoso, 1998). O nível

do detalhamento desses experimentos meteorológicos permitiu que se

realizassem estudos focados nos processos fotoquímicos atmosféricos.

Cardoso (1998) estudou o impacto da inclusão das fontes de poluentes de

Cubatão nas simulações da RMSP e também o papel das condições iniciais e de

fronteira para a representação da formação de ozônio.

Ynoue (1999) utilizou dados de campos meteorológicos prognósticos

extraídos do modelo de mesoscala RAMS como input meteorológico no CIT e

avaliou sua eficiência com relação ao uso de modelos diagnósticos.

Martins (2002) avaliou o impacto da inclusão das emissões biogênicas de

COV na formação do ozônio na RMSP, Borges (2003) avaliou o impacto de

aumento da resolução espacial (de 5x5 km para 3x3km) do modelo CIT na

representação das concentrações de ozônio e Ynoue (2004) introduziu um

módulo de descrição de formação e crescimento de aerossóis secundários no

modelo CIT.

Vários artigos têm sido publicados relacionados ao entendimento da

formação do ozônio e sua descrição com modelo de qualidade do ar na Região

Metropolitana de São Paulo: Ulke e Andrade (2001) estudaram a parametrização

da turbulência no modelo CIT, Andrade et al. (2004) estudaram o inventário das

emissões de NOx na RMSP; Freitas et al. (2005) avaliaram a inclusão de um

módulo químico simplificado no modelo meteorológico RAMS, Sanchez-Ccoyllo et

al. (2005) avaliaram o impacto do PROCONVE (Programa Controle de Veículos

Automotores) para a formação dos oxidantes fotoquímicos. Vivanco e Andrade

(2006) verificaram o inventário oficial dos precursores do ozônio.


Sorocaba

Introdução I

Pág. I-6/18

I.1 ÁREA DE ESTUDO

O município de Sorocaba está localizado no estado de São Paulo, cerca de

90 quilômetros a oeste da Região Metropolitana de São Paulo, e também a cerca

de 80 quilômetros dos municípios industrializados de Campinas e Paulínia (Figura

2).

Sorocaba possui uma população de aproximadamente 500 mil habitantes e

uma área de 443km2. Devido a sua localização de fácil acesso, essa região conta

atualmente com cerca de 1400 estabelecimentos industriais, sendo 150 destes,

de médio e grande porte (CETESB, 2006).

Desde o ano 2000 o município de Sorocaba possui uma estação de

superfície da CETESB que registra, dentre outras variáveis: NO, NO2, O3, vento e

temperatura. Nesses últimos seis anos (2000-2005) foram registrados 45 dias

com ultrapassagem do padrão primário (160 g/m3) e 8 dias com ultrapassagem

do nível de atenção (200 g/m3), sendo agosto, setembro e outubro o trimestre

com as maiores concentrações observadas de ozônio.

I.1.1 Características Meteorológicas da Região

O município de Sorocaba situa-se em uma região cujo relevo pode ser

caracterizado como levemente ondulado a ondulado, com altitude média de

600m, sendo que o seu ponto mais alto chega a 1028m. No verão, a média das

temperaturas máximas fica em torno de 30º C e no inverno a média das

temperaturas mínimas fica em torno de 12º C. A precipitação média anual é de

1350 mm e cerca de 80% dessa precipitação ocorre nos meses de outubro a

março. A umidade relativa do ar chega a atingir 15% nos meses secos,

principalmente setembro (CETESB, 2006).

Nas Figuras 3 e 4 são apresentados os padrões mensais do comportamento

da circulação atmosférica em baixos níveis (850hPa) para os meses de agosto e

setembro obtidos através da média climatológica (40 anos) do período de 1965 à

2005 das reanálises do modelo de circulação geral do NCEP, extraídas do site

http://www.cdc.noaa.gov.

http://www.cdc.noaa.gov


Sorocaba

Introdução I

Pág. I-7/18

Figura 2 - Localização do Município de Sorocaba e definição da área de estudo.


Sorocaba

Introdução I

Pág. I-8/18

Analisando o padrão climatológico da circulação atmosférica de larga escala

em baixos níveis (850hPa) que atua sobre a região sudeste do Brasil verifica-se

uma forte influência da Alta Subtropical do Atlântico Sul nas condições locais

durante os meses de agosto (Figura 3) e setembro (Figura 4).

Figura 3 - Média climatológica do vento em 850hPa para o mês de agosto, (vetores indicam a direção do vento e a escala de cores a intensidade em m/s).

A variabilidade sazonal do padrão climatológico de ventos na região sudeste

deve-se, basicamente, ao deslocamento sazonal da Alta Subtropical do Atlântico

Sul, caracterizada pelo predomínio de ventos de nordeste no verão e ventos de

leste no inverno. O padrão climatológico do vento para o mês de agosto (em

850hPa) é de E/ENE e com pouca intensidade (média mensal inferior a 3 m/s).

Para o mês de setembro o padrão climatológico é NE/NNE e com pouca

intensidade (média mensal inferior a 2,5 m/s).


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Introdução I

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Figura 4 - Média climatológica do vento em 850hPa para o mês de setembro, (vetores indicam a direção do vento e a escala de cores a intensidade em m/s).

Na região sudeste, nos meses de agosto e setembro, alterações no padrão

médio mensal de vento ocorrem, basicamente, devido à passagem de sistemas

frontais. Os sistemas frontais atuam durante o ano todo sobre o Brasil com

freqüências maiores nas latitudes mais altas e menores nas latitudes mais baixas

(Oliveira, 1986). De acordo com o Boletim de Monitoramento e Análise Climática

(Climanálise, 1996), que apresentou uma estatística de sistemas frontais que

atuaram no litoral do Brasil entre os anos de 1975 a 1984 e 1987 a 1995, a média

ficou entre 4 e 7 sistemas mensais atuando sobre a costa do sudeste brasileiro,

com valores máximos nos meses de inverno e valores mínimos nos meses de

verão.

Os sistemas frontais são extremamente eficientes na dispersão dos

poluentes. Os eventos de altas concentrações de poluentes ocorrem, na maioria

das vezes, nos períodos entre as passagens dos sistemas frontais, quando,

geralmente, há predomínio da influência, direta ou indireta, de um sistema de alta

pressão.


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Introdução I

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No evento de agosto, a presença de uma anomalia de alta pressão em

superfície próxima ao Sul e ao Sudeste do Brasil (Figura 7), verificada também no

campo da altura geopotencial de 500hPa (Figura 8), criou uma condição de vento

de leste em superfície persistente durante a maior parte do período (Figura 5) e

uma anomalia positiva da temperatura sobre a região de estudo (Figura 6).

Figura 5 - Média do vento de superfície para o período de 16-20/08/2004. em m/s.


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Introdução I

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Figura 6 – Anomalia da temperatura do ar em superfície para o período de 16-20/08/2004. em oC.

Figura 7 – Anomalia da pressão atmosférica em superfície para o período de 16-20/08/2004. em hPa.


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Figura 8 – Anomalia da altura geopotencial em 500hPa para o período de 16-20/08/2004 em metros.

No evento de setembro, a presença de uma anomalia de baixa pressão em

superfície sobre o continente, de baixa intensidade (Figura 11), se contrapondo a

anomalia positiva verificada no campo da altura geopotencial de 500hPa (Figura

12), não alterou significativamente a condição de vento de leste em superfície

persistente durante a maior parte desse período (Figura 9) e nem reverteu a

anomalia positiva da temperatura sobre a região de estudo (Figura 10).


Sorocaba

Introdução I

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Figura 9 - Média do vento de superfície para o período de 05-10/09/2004, em m/s.

Figura 10 - Anomalia da temperatura do ar em superfície para o período de 05-10/09/2004, em oC.


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Figura 11 - Anomalia da pressão atmosférica em superfície para o período de 05-10/09/2004, em hPa.

Figura 12 - Anomalia da altura geopotencial em 500hPa para o período de 05-10/09/2004, em metros.


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Introdução I

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I.1.2 Características do Meio Ambiente Urbano da Região

Os municípios de Sorocaba e Votorantim possuem suas áreas urbanas

conurbadas (não possuem áreas não-urbanas as separando), por conta disso,

esse trabalho e todas as suas estatísticas se referem aos municípios de Sorocaba

e Votorantim.

A frota veicular dos municípios de Sorocaba e Votorantim é composta

basicamente por automóveis e motocicletas (Tabela 1), sendo que a proporção de

motocicletas para cada carro é relativamente alta (em torno de 20% em Sorocaba

e 25% em Votorantim) se comparadas com cidades maiores do estado (São

Paulo tem cerca de 10% e Campinas 12%) – Fonte: IBGE.

Tabela 1 – Frota dos municípios de Sorocaba e Votorantim em 2004 (fonte: IBGE).

TIPO DO VEÍCULO NÚMERO DE VEÍCULOS (Sorocaba + Votorantim)

Automóvel 141891 + 18978

Caminhão 5603 + 868

Caminhão-Trator 666 + 135

Caminhonete 5399 + 416

Micro-Ônibus 820 + 162

Motocicletas 28086 + 4509

Motonetas 2975 + 411

Ônibus 995 + 37

Trator de Rodas 106 + 10

Com base em dados da CET para São Paulo para o ano de 2002

considerou-se que 76,3% dos veículos leves utilizam como combustível uma

mistura de aproximadamente 78-80% de gasolina e 20-22% de etanol e 17,2%

dos veículos leves utilizam uma mistura de etanol hidratado (95% de etanol + 5%

de água); foi considerado como sendo insignificante a contribuição dos veículos

leves movidos a GNV (Gás Natural Veicular). No caso dos veículos pesados, foi

considerado que a totalidade desses veículos utiliza óleo diesel como

combustível. Esses dados foram considerados como sendo aplicáveis aos

municípios de Sorocaba e Votorantim.


Sorocaba

Introdução I

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Os dados de emissão anual utilizados nesse estudo foram baseados no

inventário de emissões constante no relatório de qualidade do ar no estado de

São Paulo, referente ao ano de 2003 (Tabela 2).

Tabela 2 – Estimativa das fontes de poluição do ar de Sorocaba e Votorantim em 2003 (fonte: CETESB).

FONTE DE EMISSÃO EMISSÃO (1000 ton/ano)

TIPO COMBUSTÍVEL CO HC NOX SOX MP

Gasolina 22,61 2,32 1,29 0,22 0,15

Álcool 6,83 0,74 0,41 -- --

Diesel 14,69 2,39 10,73 0,73 0,67

TUBO DE ESCAPAMENTO DE VEÍCULOS

Motocicleta 14,44 1,91 0,07 0,03 0,04

Gasolina -- 3,69 -- -- --

Álcool -- 0,53 -- -- -- CÁRTER

E EVAPORATIVA

Motocicleta -- 1,03 -- -- --

PNEUS Todos os tipos -- -- -- -- 0,27

Gasolina -- 0,37 -- -- -- TRANSFERÊNCIA DE COMBUSTÍVEL

Álcool -- 0,02 -- -- --

PROCESSOS INDUSTRIAIS 2,24 0,74 6,51 5,19 3,45

Foram utilizados nesse estudo dados de concentração dos poluentes NO,

NO2 e O3 da estação automática da CETESB, localizada na Escola Estadual

“Monsenhor João Soares” na Rua Nhonhô Pires, 260 – Bairro Santa Terezinha –

Sorocaba, coordenadas UTM 23K 0246863 7398684 (Figura 13).


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Introdução I

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Figura 13 – Municípios de Sorocaba e Votorantim e localização da estação automática da CETESB (Fonte: Google Earth – foto superior e CETESB – foto inferior).


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Introdução I

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I.1.3 Objetivos

O objetivo desse trabalho é analisar o impacto da contribuição do transporte

de longa distância do ozônio e seus precursores na qualidade do ar de uma área

urbana impactada por fontes locais de poluentes, tomando como exemplo a

cidade de Sorocaba e adjacências. A ferramenta de trabalho utilizada foi o modelo

UAM-V, recomendando pela EPA para a descrição da formação de ozônio em

escala urbana.

Pode-se destacar como produtos complementares do trabalho: a instalação

do modelo UAM-V no Departamento de Ciências Atmosféricas, o

desenvolvimento de metodologias para o tratamento do impacto das condições de

fronteira em modelos de qualidade de ar, e o tratamento da variação temporal das

emissões de poluentes.


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Modelo de Qualidade do Ar II

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II MODELO FOTOQUÍMICO DE QUALIDADE DO AR

Nesse estudo foi utilizado o modelo de escala urbana Urban Airshed Model

(UAM), originalmente desenvolvido pela Systems Applications International (SAI),

que iniciou esse projeto no começo da década de 70 e através de contínuo

desenvolvimento chegou na versão utilizada atualmente do Variable-Grid Urban

Airshed Model (UAM-V 1.31). O UAM tem sido bastante utilizado ao longo dos

últimos 30 anos para a investigação das questões envolvendo o ozônio e a

qualidade do ar, principalmente nos Estados Unidos, tanto com finalidades

científicas quanto regulatórias.

Desde 1969, quando o programa UAM foi concebido pela primeira vez, o

contínuo desenvolvimento do modelo foi levando-o até as versões atuais. A fase

inicial do desenvolvimento do modelo foi de 1969 até 1973 com a avaliação

positiva da EPA (Environmental Protection Agency). O desenvolvimento e a

validação do modelo estão descritos em uma série de trabalhos (Liu et al., 1976;

Reynolds et al., 1976; Lamb, 1976; Jerskey and Seinfeld, 1975; Killus et al., 1984;

Lamb et al., 1984; Jerskey et al., 1984).

Embora a versão de 1990 do UAM fosse largamente utilizada em muitos

lugares do mundo, a estrutura do software ainda era baseada na arquitetura da

década de 1970-80. Devido a isso, em 1989-1991, a SAI (Systems Applications

International) empreendeu esforços e reestruturou o modelo. O resultado dessa

empreitada foi que o UAM-V adquiriu novas características, dentre elas, podemos

citar como mais relevantes para o trabalho (SAI,1999):

- Estrutura de grade vertical: Pode ser definida arbitrariamente pelo usuário,

possibilitando assim uma alta resolução nas camadas próximas à superfície e

um melhor ajuste dos campos dos modelos meteorológicos, já que muitos

utilizam o sistema de coordenadas acompanhando o terreno;

- Arquivos de entrada tridimensionais: Todas as variáveis meteorológicas

variam espacial e temporalmente em toda a grade;

- Algoritmo de deposição seca: O algoritmo de deposição seca implementado,

formulado por Wesely (1989), é similar ao utilizado no Modelo Regional de

Deposição de Ácidos (Regional Acid Deposition Model – RADM) , SAI, 1999;


Sorocaba


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- Balanço real de massa: As concentrações dos poluentes sofrem advecção e

difusão em unidade de massa por volume ( mol/m3) ao invés de unidade

volumétrica (ppm), mantendo o balanço real de massa;

- Novo algoritmo de ascensão da pluma: Foi implantado novo algoritmo de

ascensão da pluma fotoquímica baseando-se no modelo Gaussiano de

dispersão TUPOS (Turner et al., 1986);

- Mecanismo Químico CB-IV-TOX: O Carbon Bond é o módulo responsável pela

resolução da fotoquímica do modelo que envolve a formação do ozônio. Existe

uma opção para resolver a parte química em fase aquosa (dentro de nuvens).

As versões recentes possuem um mecanismo químico mais detalhado no

tratamento do acetaldeído.

II.1 DESCRIÇÃO DO URBAN AIRSHED MODEL

O UAM-V é um modelo fotoquímico de grade tridimensional designado para

calcular as concentrações de poluentes inertes e de poluentes quimicamente

reativos, pela simulação de processos físicos e químicos que afetam as

concentrações dos poluentes na atmosfera. A base do modelo é a equação de

difusão atmosférica e a equação da continuidade (SAI,1999).

O modelo é basicamente constituído por quatro componentes: um modelo de

transporte euleriano, um modelo fotoquímico lagrangiano (Carbon Bond – IV), um

modelo gaussiano de dispersão da pluma de poluentes (TUPOS) e um modelo

simplificado de radiação atmosférica.

A equação da continuidade é resolvida dentro do modelo através de passos,

onde termos individuais são resolvidos separadamente e na seguinte ordem: a

emissão é injetada no domínio; a advecção/difusão horizontal é resolvida; a

advecção/difusão vertical e a deposição são resolvidas; e as transformações

químicas são calculadas para os poluentes reativos. O UAM-V calcula esses 4

passos dentro de cada intervalo advectivo. Esse intervalo advectivo é calculado

internamente no modelo, sendo função do comprimento das células da grade e da

velocidade máxima do vento, ou do coeficiente horizontal de difusividade. Um

valor típico do intervalo de tempo advectivo para uma grade de 10-20 km é de 10-


Sorocaba


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15 minutos e para grade mais fina (1-2 km) é da ordem de poucos minutos

(SAI,1999).

A equação da difusividade representa o balanço de massa entre as

emissões, transporte, difusão, reações químicas e os processos de remoção.

Matematicamente (SAI,1999):

z

cK

zy

cK

yx

cK

xz

wc

y

vc

x

uc

t

c iV

iY

iX

iiii )()()(

iiii WDSR

Onde:

ci = concentração do poluente i , uma função de (x,y,z,t)

u, v, w = componentes horizontais e verticais do vento

KX, KY = coeficiente horizontal de difusão turbulenta

KV = coeficiente vertical de troca turbulenta

Ri = Taxa de produção do poluente i, devido às reações químicas

Si = Taxa de emissão do poluente i

Di = Taxa de remoção do poluente i devido a processos absorção pela

superfície

Wi = Taxa de remoção do poluente i devido a processos de deposição

úmida

O modelo emprega a técnica numérica de diferenças finitas para resolver a

equação de advecção/difusão.

O modelo de radiação atmosférica calcula a partir da coordenadas do ponto

inicial da grade e da data, as taxas de fotólise necessárias para a decomposição

do NO2, O3, FORM, ACET, ALDX e ISPD (respectivamente: dióxido de nitrogênio,

ozônio, formaldeído, acetaldeído, aldeídos de alto peso molecular e resíduos

orgânicos resultantes da reação do isopreno). No total, o modelo Carbon Bond

utiliza sete taxas de fotólises, para dez diferentes ângulos zenitais (0o, 10o, 20o,

30o, 40o, 50o, 60o, 70o, 78o e 86o).


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As taxas de fotólise são calculadas a partir da seguinte equação integral:

max

min

)()()( dIJn nnn

onde:

Jn = Taxa de Fotólise

In( ) = Fluxo Actínico

n( ) = Seção de choque de absorção da espécie

n( ) = Rendimento Quântico

O Fluxo Actínico varia no espaço e no tempo. O UAM-V possui um módulo

que calcula esse fluxo, sendo função das seguintes variáveis:

- Fluxo Solar Extraterrestre: Uma parametrização da radiação solar

incidente sobre o topo da atmosfera.

- Albedo UV de Superfície: A fração da radiação UV incidente na

superfície que foi refletida novamente para o espaço (depende do uso do

solo).

- Turbidez: Extinção óptica devido ao espalhamento e absorção da

radiação pelo aerossol atmosférico.

- Densidade total da coluna de O3 acima da região do domínio: Essa

variável é dependente da latitude e da época do ano, e sua unidade deve estar

em Dobson.

A partir da equação da taxa de fotólise é montada a tabela 3, com os valores

utilizados de fato pelo modelo.

A taxa de fotólise é corrigida dentro do modelo quando a fração da cobertura

de nuvens é maior do que 70%. Os fatores de correção utilizados pelo modelo

são, para 70%, 80%, 90% e 100%, respectivamente, 0,72; 0,68; 0,64; 0,59.


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Tabela 3 – Taxas de Fotólise utilizadas pelo mecanismo químico Carbon Bond.

Taxa de Fotólise (min -1) Ângulo Zenital JNO2 JO1D JHCHOr JHCHOs JACETr JAcrolein JALDX

0o 5,699x10-1 2,595 x10-3 2,129 x10-3 2,848 x10-3 3,909 x10-4 1,117 x10-4 1,346 x10-3

10º 5,654 x10-1 2,507 x10-3 2,097 x10-3 2,816 x10-3 3,820 x10-4 1,106 x10-4 1,319 x10-3

20º 5,516 x10-1 2,252 x10-3 1,999 x10-3 2,721 x10-3 3,558 x10-4 1,072 x10-4 1,239 x10-3

30º 5,276 x10-1 1,860 x10-3 1,834 x10-3 2,556 x10-3 3,136 x10-4 1,014 x10-4 1,109 x10-3

40º 4,913 x10-1 1,380 x10-3 1,601 x10-3 2,314 x10-3 2,575 x10-4 9,276 x10-5 9,324 x10-4

50º 4,393 x10-1 8,798 x10-4 1,299 x10-3 1,981 x10-3 1,912 x10-4 8,070 x10-5 7,184 x10-4

60º 3,654 x10-1 4,418 x10-4 9,335 x10-4 1,540 x10-3 1,211 x10-4 6,432 x10-5 4,813 x10-4

70º 2,597 x10-1 1,477 x10-4 5,278 x10-4 9,798 x10-4 5,711 x10-5 4,262 x10-5 2,480 x10-4

78º 1,476 x10-1 3,856 x10-5 2,248 x10-4 4,806 x10-4 2,010 x10-5 2,209 x10-5 9,675 x10-5

86º 4,393x10-2 4,694 x10-6 3,916 x10-5 1,062 x10-4 2,806 x10-6 5,541 x10-6 1,546 x10-5

Dentro do Carbon Bond, as taxas de fotólise são utilizadas para o cálculo

das seguintes equações:

NO2

NO + O

O3

O1D

FORM

2 HO2 + CO

FORM

CO

ACET

FORM + 2 HO2 + CO + XO2

ALDX

ACET + 2 HO2 + CO + XO2 – PAR

ISPD

0.333 CO + 0.067 ACET + 0.90 FORM

+ 0.832 PAR + 1.033 HO2 + 0.70 XO2

+ 0.967 C2O3 + 0.7 CXO3

Sendo:

FORM = Formaldeído

ACET = Acetaldeído

ALDX = Aldeídos de alto peso molecular (R > C2)

PAR = Parafinas (cadeias carbônicas de ligações simples)

XO2 = Processo de oxidação do NO para o NO2

ISPD = Resíduos orgânicos resultantes da reação do Isopreno

CXO3 = C3 e radicais peroxi de maior ordem


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O UAM-V assume que a difusão dos poluentes é proporcional ao gradiente

da concentração no espaço (i.e., teoria K ou fechamento de primeira ordem). O

fator de proporcionalidade é o termo de difusão turbulenta (KX, KY e KV na

equação da advecção/difusão). A difusividade horizontal é calculada dentro do

UAM-V baseando-se na deformação característica do campo horizontal de vento

(Smagorinsky, 1963).

O coeficiente vertical de troca turbulenta pode ser diagnosticado através dos

campos de vento e temperatura, ou obtido diretamente utilizando um modelo

meteorológico. O modelo não calcula esse termo e ele deve entrar

separadamente na forma de um campo tridimensional. Nas bordas laterais é

considerado fluxo zero para a difusão horizontal e na borda superior é

considerado fluxo zero para a difusão vertical. A condição de contorno inferior é

especificada como deposição seca da primeira camada atmosférica para a

superfície.

O algoritmo de deposição seca do UAM-V é baseado no esquema do RADM

(Wesely, 1989). Uma breve descrição será feita nos próximos parágrafos, para

informações mais detalhadas e completas verificar Gray et al. (1991) e

Scire(1991).

No modelo o fluxo do poluente na condição de contorno inferior (superfície)

(F0) é expresso como a concentração na primeira camada atmosférica do modelo

(ci) e a velocidade de deposição (Vd).

F0 = – ci Vd

A velocidade de deposição é considerada como o inverso da soma de três

resistências, para espécies gasosas:

sbad RRR

V1

Onde:

Ra = Resistência Aerodinâmica

Rb = Resistência da camada limite

Rs = Resistência da superfície

A velocidade de deposição das espécies de particulado também depende da

distribuição de tamanho e densidade das partículas em questão. Partículas

maiores possuem uma velocidade de sedimentação (Vsed) significativa, ao passo


Sorocaba


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que as muito pequenas (da < 1 m) possuem um comportamento semelhante aos

gases. Uma expressão simplificada para a velocidade de deposição das

partículas pode ser considerada como (SAI,1999):

sedbabasedd VRRRR

VV1

O UAM-V possui um sub-módulo de micro-meteorologia que calcula a

velocidade de fricção e o comprimento de Monin-Obukhov, necessários para

calcular a resistência aerodinâmica, baseado na teoria da similaridade. Essa

teoria assume que existe um fluxo constante da superfície para a metade da

altura da primeira camada. A pressão, a temperatura de superfície e a

temperatura do ar da primeira camada são utilizadas para calcular o gradiente da

temperatura potencial, que é combinado com o vento da primeira camada para

determinar a estabilidade. Utilizando-se a formulação de Louis (1979),

estabilidade, vento na primeira camada e rugosidade de superfície são utilizados

para calcular o vento a 10 m, velocidade de fricção e comprimento de Monin-

Obukhov, para cada um dos diferentes tipos de uso do solo.

A velocidade do vento de superfície (10m), a velocidade de fricção e o

comprimento de Monin-Obukhov para cada categoria de uso do solo dentro da

grade são utilizados para calcular a resistência da camada limite e aerodinâmica

de cada célula da grade. As resistências aerodinâmicas são combinadas com as

resistências características de cada uso de solo e suas respectivas porcentagens

em cada célula, para se obter as velocidades de deposição dentro de cada uma

das células da grade, para cada uma das espécies.

O UAM-V considera a resistência dos estômatos como um importante fator

que controla a variação diurna da deposição seca dos gases nas superfícies com

vegetação. Isso é feito através de incrementos no termo da resistência das

superfícies durante os períodos de estresse de umidade. O algoritmo de

deposição do modelo identifica 3 tipos de estado da vegetação em cada célula da

grade; (A) vegetação (irrigada ou não) em condições sem estresse; (B) vegetação

não-irrigada em condições de estresse e (C) vegetação inativa.

No estado (A), a resistência dos estômatos é parametrizada em termos da

resistência de referência (dependente da estação do ano e do uso do solo),

radiação solar e temperatura de superfície do ar. A temperatura do ar atua

diretamente no fechamento dos estômatos e o modelo considera as temperaturas


Sorocaba


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de 0o, 40º e 20ºC como, respectivamente, mínima, máxima e ótima para o

fechamento dos estômatos.

No estado (B), que corresponde a uma abertura mínima dos estômatos, a

resistência é obtida multiplicando um fator de proporção nos valores do caso (A).

Normalmente o fator utilizado é 10. Esse valor nem sempre é adequado quando a

informação é eventualmente obtida por modelos. No estado (C) a resistência dos

estômatos assume valores muito altos (na ordem de 104), basicamente impedindo

a deposição para camada de uso do solo. Nas situações que esses fatores não

podem ser obtidos com acurácia, apenas o estado (A) é considerado.

Deposição sobre superfícies de água pode ser muito rápida para diversos

gases solúveis, mas essa variação na velocidade de deposição em superfícies de

água não está bem representada pelo algoritmo de Wesely (1989). Dessa forma a

formulação para a resistência da superfície acima da água implementada no

UAM-V foi baseada no trabalho de Slinn et al. (1978). Em fase líquida a

resistência da superfície pode ser calculada como (SAI,1999):

*1k

HRs

Onde H é o coeficiente da Lei de Henry, * é o acréscimo efetivo da

solubilidade de cada gás em água e k1 é a velocidade de transferência na fase

líquida, que inclui o efeito do estresse de superfície. Slinn et al. (1978) expressou

k1 em termos da velocidade de fricção de superfície acima da água u*:

k1 = 4,8 . 10-4 u*

O algoritmo de deposição do UAM-V inclui modificações nas resistências

superficiais para situações de superfícies com orvalho e molhadas devido à chuva

(Wesely, 1989). A extensão do orvalho é estimada pelo programa baseando-se

em uma relação entre a umidade relativa e a velocidade do vento.

Se forem fornecidas taxas de precipitação como entrada do modelo, elas

serão utilizadas para determinar a extensão temporal e espacial da área molhada.

Esse mesmo arquivo de entrada é utilizado para calcular a deposição úmida. Na

ausência desse arquivo, o modelo considera apenas modificações na resistência

superficial devido ao orvalho.

O UAM-V possui um algoritmo opcional para calcular a remoção do aerossol

e dos gases solúveis durante os eventos de chuva. Um arquivo de entrada


Sorocaba


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contendo dados horários de chuva, normalmente baseado em observações, é

necessário para isso. Em geral essa opção não é utilizada para a modelagem de

ozônio, pois é incomum a ocorrência de máximos de ozônio durante os eventos

de precipitação.

O tratamento da ascensão da pluma no UAM-V é baseado no tratamento

desenvolvido pelo modelo gaussiano de dispersão TUPOS (Turner et al.,1986). A

ascensão da pluma é calculada a partir dos parâmetros da chaminé e dos

arquivos meteorológicos. O algoritmo calcula a dependência da ascensão da

pluma com relação à estabilidade, baseando-se no empuxo ou no fluxo de

momento para a camada contendo a chaminé, utilizando-se aquele que for maior.

Se a ascensão da pluma exceder o topo da camada, a ascensão da pluma é

recalculada baseando-se na estabilidade local da camada imediatamente acima

com um empuxo residual da camada anterior (fluxo de momento é aplicado

unicamente à camada da chaminé).

O algoritmo de ascensão da pluma continua calculando a propagação da

pluma para cada camada utilizando equações apropriadas para condições

atmosféricas estáveis ou neutra/instável.

O UAM-V contém um módulo “Plume-in-Grid” (PiG) que considera plumas de

fontes pontuais sendo representadas como uma série discreta de puffs

gaussianos em escala de sub-grade. O módulo PiG é baseado no Reactive Plume

Model ( orri set al., 1992c).

Assim que um puff é emitido, ele começa a se deslocar dentro da região

modelada e vai sofrendo entranhamento do ar ambiente e transformações

químicas. Embora cada puff interaja com o ar em cada célula, ele não interage

com outros puffs. Quando a dimensão do puff é comparável com a dimensão da

célula, ele começa a sofrer entranhamento das células vizinhas e se propagar

nelas também. Esse processo se repete até que o puff seja eliminado.

II.2 DESCRIÇÃO DO MECANISMO FOTOQUÍMICO UTILIZADO

O ozônio é formado na atmosfera através de uma série de reações químicas

que variam de eficiência de acordo com a quantidade de óxidos de nitrogênio e de

compostos orgânicos voláteis (COV) presentes na atmosfera. Centenas de


Sorocaba


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compostos orgânicos e milhares de reações participam da formação do ozônio na

atmosfera. O mecanismo fotoquímico é o módulo que representa dentro do

modelo de qualidade de ar as interações químicas de todos os poluentes e

compostos presentes na atmosfera. Para simulações de poluentes secundários,

como o ozônio, é muito importante que esse módulo seja bastante completo e que

os poluentes precursores estejam bem representados.

Um tratamento explícito de todos os compostos presentes na atmosfera e as

reações seriam de uma complexidade proibitiva em modelos eulerianos como o

UAM-V. Dessa forma, a maioria dos mecanismos fotoquímicos trata as reações

químicas dos compostos orgânicos em grupos. Cada grupo contém centenas de

reações envolvendo espécies orgânicas de reatividade semelhantes. As reações

fotoquímicas que agregam essas centenas de reações em um número menor de

grupos são denominadas reações “lumped”

Um mecanismo fotoquímico representativo é crucial para as simulações de

ozônio, pois um mecanismo inadequado implica que o modelo pode estar

estimando incorretamente a formação de poluentes, tanto espacialmente, quanto

temporalmente e assim resultando, por exemplo, em implantações inadequadas

de estratégias de controle da poluição atmosférica.

O UAM-V emprega uma extensão da versão IV do Carbon Bond Mechanism

(CB-IV) para resolver a cinética química (Gery et al., 1988).

A atual versão estendida chama-se CB-IV-TOX, que expandiu o tratamento

das olefínas e aldeídos, incluindo um tratamento explícito para o acetaldeído. A

formulação do CB-IV agrega as espécies orgânicas baseando-se nas ligações

entre os carbonos.

O CB-IV-TOX contém mais de 30 espécies químicas (Tabela 4) e mais de

100 reações químicas (Tabela 5). O UAM-V contém melhorias significativas no

mecanismo químico Carbon Bond sugeridas em Dodge (1989) e também

melhorias dos efeitos da temperatura no PAN (reações 46-48), inclusão de

reações radical-radical e uma revisão da química do isopreno baseando-se no

estudo de Carter, 1996.

A constante de velocidade da reação (k) é calculada pela equação de

Arrhenius, cujos valores da energia de ativação (E) são apresentados na Tabela


Sorocaba


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5. A energia de ativação é a quantidade de energia adicional que as moléculas

precisam obter para iniciar a reação.

O CB-IV-TOX foi originalmente desenvolvido para possibilitar estudos mais

detalhados dos aldeídos e sua respectiva contribuição para a formação do

material orgânico particulado (POM), também foi inicialmente utilizado em alguns

estudos para modelagem em escala urbana (Guthrie et al., 1997; Ligocki et al.,

1992; Ligocki and Whitten, 1992; Ligocki et al., 1991ª; Ligocki et al., 1999b).

As equações diferenciais que descrevem o CB-IV são classificadas como

sistema “stiff” (SAI, 1999), ou seja, contêm amplas variações nas constantes de

tempo (taxas de reação). Solucionar esse sistema de equações com um sistema

de integração numérica convencional para sistemas “stiff”, seria proibitivo devido

ao tempo computacional.

A integração no tempo do CB-IV no modelo UAM utiliza aproximações de

estado semi-estacionário para espécies com grandes taxas de formação/remoção

(as espécies em estado estacionário) e usa o algoritmo computacionalmente

eficiente de Newton-Raphson para as espécies em estado estacionário. O método

de solução Crank-Nicholson é utilizado para as outras espécies (espécies ativas),

SAI, 1999.

O desenvolvimento e formulação do mecanismo químico CB-IV está descrito

com maiores detalhes em Gery et al. (1988, 1989). A implementação numérica do

CB-IV no modelo UAM é discutido com mais detalhes em orris et al. (1990 c, d).


Sorocaba


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Tabela 4 – Espécies químicas representadas no mecanismo químico Carbon Bond.

NOME DA ESPÉCIE REPRESENTAÇÃO

Monóxido de Nitrogênio Dióxido de Nitrogênio Radical Nitrato Pentóxido de Dinitrogênio Ácido Nitroso Ácido Nítrico Ácido Peroxinítrico (HO2NO2) Oxigênio Atômico (singlet) Oxigênio Atômico (triplet) Radical Hidroxil Vapor de Água Ozônio Radical Hidroperoxil Peróxido de Hidrogênio Monóxido de Carbono Formaldeído (HCHO) Acetaldeído Aldeídos de Alto peso molecular (RCHO, C>H2) Olefinas Internas Radical Peroxiacil (CH3C(O)OO ) C3 e radicais peroxi maiores Nitrato de Peroxiacil (CH3C(O)OONO2) C3 e compostos como o PAN maiores Nitrofenol Parafinas (C-C) Radical orgânico secundário oxi Olefinas (C=C) Eteno (CH2=CH2) Tolueno (C6H5-CH3) Cresol e fenóis com alto peso molecular Aducto de tolueno e radical hidroxil Radical Methilphenoxi Fragmentos de alto peso molecular de anéis aromáticos oxidados Xileno (C6H4-(CH3)2) Methilglioxal (CH3C(O)C(O)H) Isopreno Resíduos Orgânicos da Reação do Isopreno Metanol Etanol Methil-terciaributileter Dióxido de Enxofre Sulfatos Passagem do NO para NO2

Passagem do NO para nitrato Nitrato Orgânico

NO NO2 NO3 N2O5 HONO HNO3 PNA O1D O OH H2O O3 HO2 H2O2 CO FORM ACET ALDX IOLE C203 CXO3 PAN PANX NPHN PAR ROR OLE ETH TOL CRES TO2 CRO OPEN XYL MGLY ISOP ISPD MEOH ETOH MTBE SO2 SULF XO2 XO2N NTR


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Tabela 5 – Reações químicas representadas no mecanismo químico Carbon Bond.

Reação Química Taxa de Reaçãoa

298 K (ppm-n min-1)

E/R (K)

1 NO2

NO + O

Dependência da Radiaçãob

2 O

O3

4323000

-1175

3 O3 + NO

NO2

26,64

1370

4 O + NO2

NO

13750

0

5 O + NO2

NO3

2309

-687

6 O + NO

NO2

2438

-602

7 NO2 + O3

NO3

0,04731

2450

8 O3

O

0,053 x k1

9 O3

O1D


10 O1D

O

424600

-390

11 O1D + H2O

2 OH

3,26

0

12 O3 + OH

HO2

100

940

13 O3 + HO2

OH

3

580

14 NO3

0,89 NO2 + 0,89 O + 0,11 NO

33,9 x k1

15 NO3 + NO

2 NO2

44160

-250

16 NO3 + NO2

NO + NO2

0,5901

1230

17 NO3 + NO2

N2O5

1853

-256

18 N2O5 + H2O

2 HNO3

1,9 x 10-6

0

19 N2O5

NO3 + NO2

2,776

10,900

20 NO + NO

2 NO2

0,00015

-530

21 NO + NO2 + H2O

2 HONO

3,0 x 10-8

-6348

22 NO + OH

HONO

9799

-806

23 HONO

NO + OH

0,1975 x k1

24 HONO + OH

NO2

9770

0

25 HONO + HONO

NO + NO2

0,00002

0

26 NO2 + OH

HNO3

16820

-713

27 HNO3 + OH

NO3

217,9

-1000

28 NO + HO2

OH + NO2

12270

-240

29 NO2 + HO2

PNA

2025

-749

30 PNA

HO2 + NO2

5,115

10,121

32 HO2 + HO2

H2O2

4144

-1150

33 HO2 + HO2 + H2O

H2O2

0,2181

-5800

34 H2O2

2 OH

0,255 x k39

35 H2O2 + OH

HO2

2520

187

36 CO + OH

HO2

322

0

37 FORM + OH

HO2 + CO

16300

110

38 FORM

2 HO2 + CO


39 FORM

CO


40 FORM + O

OH + HO2 + CO

237

1550

41 FORM + NO3

HNO3 + HO2 + CO

0,93

0

42 ACET + O

C2O3 + OH

636

986

43 ACET + OH

C2O3

21900

-205

44 ACET + NO3

C2O3 + HNO3

4,03

1860

45 ACET

FORM + 2 HO2 + CO + XO2


46 C2O3 + NO

FORM + NO2 + HO2 + XO2

2820

180

47 C2O3 + NO2

PAN

13700

-380

48 PAN

C2O3 + NO2

0,0254

13,500

49 C2O3 + C2O3

2 FORM + 2 XO2 + 2 HO2

24500

-530

50 C2O3 + HO2

0,33 O3

20900

-1040

51 CH4 + OH

FORM + XO2 + HO2

10,34

1710


Sorocaba


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Reação Química

Taxa de Reaçãoa

298 K (ppm-n min-1)

E/R (K)

52 PAR + OH 0,87 XO2 + 0,13 XO2N + 0,11HO2 + 0,06 ACET - 0,11 PAR + 0,76 ROR + 0,05 ALDX

1203 0

53 ROR 0,96 XO2 + 0,6 ACET + 0,94 HO2 +2,1 PAR+ 0,04XO2N +0,02ROR +0,5ALDX

137100

8000

54 ROR

HO2

95445

0

55 ROR + NO2

NTR

22000

0

56 OLE + O 0,24 ACET + 0,38 HO2 + 0,28XO2 + 0,3 CO + 0,2 FORM + 0,02 XO2N + 0,22 PAR + 0,2 OH + 0,39 ALDX

5920 324

57 OLE + OH FORM + 0,38 ACET +0,62 ALDX – PAR + XO2 + HO2

42000 -504

58 OLE + O3

0,19 ACET + 0,31 ALDX

+ 0,74 FORM + 0,22 XO2+ 0,1 OH + 0,33 CO + 0,44 HO2 - PAR

0,018

2105

59 OLE + NO3 0,91 XO2 + FORM + 0,09 XO2N + 0,35 ACET + 0,56 ALDX + NO2- PAR

11,35 0

60 ETH + O FORM + 1,7 HO2 + CO + 0,7 XO2 + 0,3 OH

1080 792

61 ETH + OH

XO2 +1,56FORM +0,22ALDX +HO2

11920

-411

62 ETH + O3

FORM + 0,42 CO + 0,12 HO2

0,0027

2633

63 TOL + OH 0,44 HO2 + 0,08 XO2 + 0,36 CRES + 0,56 TO2

9150

-322

64 TO2 + NO 0,9 XO2 + 0,9 HO2 + 0,9 OPEN +NO + 0,1 XO2N

12000 0

65 TO2

CRES + HO2

250

0

66 CRES + OH 0,4 CRO + 0,6 XO2 + 0,6 HO2 + 0,3 OPEN

61000 0

67 CRES + NO3

CRO + HNO3

32500

0

68 CRO + NO2

NPHN

20000

0

69 OPEN

C2O3 + HO2 + CO

9,04 x k38

70 OPEN + OH

XO2 +2CO +2HO2 +C2O3 +FORM

44000

0

71 OPEN + O3 0,03ALDX +0,62C2O3 +0,7FORM + 0,03 XO2 + 0,69 CO + 0,08 OH + 0,76 HO2 + 0,2 MGLY

0,015

500

72 XYL + OH 0,7 HO2 + 0,5 XO2 + 0,2 CRES + 0,8 MGLY + 1,1 PAR + 0,3 TO2

36200 -116

73 MGLY + OH

XO2 + C2O3

26000

0

74 MGLY

C2O3 + HO2 + CO

0,022 x k1

75 ISOP + O 0,75 ISPD + 0,50 FORM + 0,25 X02 + 0,25 HO2 + 0,25 CXO3 + 0,25 PAR

53200

0

76 ISOP + OH 0,91ISPD +0,62FORM +0,99XO + 0,912 HO2 + 0,088 X02N

2147600

-407,6

77 ISOP + O3 0,65 ISPD + 0,60 FORM + 0,20 X02 + 0,066HO2 + 0,266OH + 0,20CXO3

+ 0,15ALDX + 0,35PAR + 0,066 CO

0,019 1912

78 ISOP + NO3 0,2 ISPD +X02 +0,8 HO2 +0,2 NO2 + 0,80 ALDX+ 2,4 PAR + 0,8 NTR

996 448

79 XO2 + NO

NO2

12000

0

80 XO2 + XO2

2000

-


Sorocaba


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Reação Química

Taxa de Reaçãoa

298 K (ppm-n min-1)

E/R (K)

81 XO2N + NO

NTR

12000

0

82 ETOH + OH HO2 + 0,95 ACET + 0,78 FORM

+ 0,05 XO2 + 0,011 ALDX

4840 66,8

83 ETOH + NO3

HO2 + ACET + HNO3

1,33

0

84 MEOH + OH

FORM + HO2

1375

0

85 MEOH + NO3

HO2 + FORM + HNO3

0,33

0

86 XO2 + HO2

8900

-1300

87 XO2N + HO2

8900

-1300

88 XO2N + XO2N

2000

-1300

89 XO2N + XO2

4000

-1300

90 ALDX + O

CXO3 + OH - PAR

632,

986,

91 ALDX + OH

CXO3 - PAR

24000,

-250,

92 ALDX NO3

CXO3 + HNO3 - PAR

4,03

1860,

93 ALDX

ACET + 2 HO2 +CO +XO2 -PAR


94 IOLE + O 1,14 ACET + 0,76 ALDX + 0,1 HO2 + 0,1 XO2 + 0,1 CO + 0,1 PAR

34000 0

95 IOLE + OH

1,2 ACET + 0,8 ALDX + HO2 + XO2

94300

-550

96 IOLE + O3 0,6ACET +0,4 ALDX + 0,25FORM + 0,25 CO + 0,5 O + 0,5 OH + 0,5 HO2

0,31 1100

97 IOLE + NO3

1,09ACET +0,73ALDX +HO2 +NO2

573,

270,

98 CXO3 + NO

ACET + NO2 + HO2 + XO2

28200,

180,

99 CXO3 + NO2

PANX

13700,

-380,

100 PANX

CXO3 + NO2

2,54E-2

13500,

101 CXO3 + C2O3

ACET +FORM +2, XO2 +2,0 HO2

24500,

-530,

102 CXO3 + HO2

0,33 O3

20900,

-1040,

103 PANX + OH

ACET + NO2

1700,

0,

104 OH + HO2

1,626E+5

-250,

105 ISPD + OH 1,6PAR + 0,167FORM + 0,71XO2 +0,50HO2 +0,33CO +0,17MGLY +0,25ACET +0,21 C2O3 +0,28CXO3 +0,021 ALDX

49,660 0

106 ISPD + O3 0,11 C2O3 +0,15 FORM +0,28 OH +0,85 MGLY +0,15 HO2 +0,06 XO2

+ 0,02ACET + 0,3PAR + 0,2CO

0,0105

0

107 ISPD + NO3 0,37 ALDX + 0,28 FORM +0,64CO +1,28PAR +0,92HO2 +0,08 CXO3 + 0,08 XO2+ 0,08HNO3 + 0,85 NTR

1,478

0

108 ISPD 0,33 CO + 0,07 ACET + 0,9 FORM +0,83 PAR +1,03 HO2 +0,7XO2 + 0,967 C2O3 +0,7 CXO3


109 ISOP + NO2 0,20 ISPD + 1,0 XO2 + 0,80 HO2 + 0,2NO + 0,8ALD2 + 2,4PAR+ 0,8NTR

0,00022 0

110 MTBE + OH 1,37 XO2 + 0,98 HO2 + 0,42 FORM + 0,97 PAR + 0,02 XO2N

4100, 0

111 SO2 + OH

SULF + HO2

1110

-160

112 SO2

SULF

8,167E-5

0

a Valores dependentes da pressão para as concentrações de M e O2 estão inclusos nas taxas das constantes onde for apropriado: [M] = 106 ppm, [O2] = 2,095 x 105 ppm, b Valores representativos das taxas de fotólise das reações 1, 9, 38, 39, 45, 93, e 108 estão na tabela 3. c No UAM-V, a concentração do metano é assumida com espacialmente homogênea e conseqüentemente 1,85 ppm de [CH4] é incluído na taxa da reação 51.


Sorocaba


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II.3 REGIÃO SIMULADA E DADOS DE ENTRADA DO MODELO

II.3.1 Descrição das Grades

Devido à sua localização, a qualidade do ar do município de Sorocaba é

influenciada pelo transporte de poluentes originários da região metropolitana de

São Paulo e dos municípios industrializados de Campinas e Paulínia. A maneira

escolhida para lidar com essa questão foi aninhar duas grades, uma em escala

maior para simular os efeitos de transporte de poluentes de São Paulo, Campinas

e Paulínia para Sorocaba (Figura 14) e uma outra, menor, para simular a

formação de ozônio em escala urbana sobre Sorocaba e Votorantim (Figura 15).

Figura 14 - Grade computacional, com resolução de 4x4km utilizada nas simulações de efeitos de borda sobre a região do estudo.

A grade maior (Figura 14) é quadrada, está centralizada em Sorocaba e

abrange uma área de 120 km x 120 km, contendo 30 x 30 células quadradas de 4

km de lado. A grade acompanha o terreno e foram utilizados oito níveis verticais,

com alturas de 50m, 100m, 150m, 250m, 500m, 1000m, 1750m e 2600m, em

relação ao nível do solo. As bordas norte e leste foram alinhadas com as regiões

limítrofes das áreas urbanas dos municípios de Campinas e São Paulo,

respectivamente.


Sorocaba


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Figura 15 - Grade computacional, com resolução de 1x1km, utilizada nas simulações em escala urbana dos municípios de Sorocaba e Votorantim.

A grade menor é quadrada está centralizada com o centro da grade maior, e

abrange uma área de 40 km x 40 km, contendo 40 x 40 células quadradas de 1

km de lado. A grade acompanha o terreno e foram utilizados oito níveis verticais,

com alturas de 50m, 100m, 150m, 200m, 250m, 500m, 750m e 1500m, com

relação ao nível do solo.

O aninhamento das grades não foi feito de modo interativo (two-way),

primeiro simulou-se a grade maior (Figura 14) apenas com as concentrações de

borda e depois utilizou-se o resultado dessa simulação para forçar as bordas da

grade menor (figura 15).

Com o aninhamento, a grade menor corresponde a uma área de 10 x 10

células centrais da grade maior (Figura 16) e, com esse refinamento, cada célula

da grade maior corresponde a 16 células da grade menor.


Sorocaba


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Figura 16 – Aninhamento das duas grades utilizadas na simulação de Sorocaba.

II.3.2 Condições de Contorno

As condições de contorno da simulação em escala urbana (grade menor)

foram obtidas a partir dos resultados da simulação da grade externa (maior). O

objetivo da simulação na grade externa foi determinar a influência das

concentrações de NO, NO2, COV e O3 provenientes de São Paulo e a influência

das concentrações de O3 de Campinas e Paulínia sobre a região de Sorocaba.

Para isso, foram colocadas na grade externa as seguintes condições:

- A emissão dentro da grade é igual à zero em todas as células;

- A condição de contorno superior (topo da grade, equivalente a 2600m) foi

considerada como concentração de fundo (baixos valores de concentração);

- A concentração inicial na grade e as concentrações em todas as células

das bordas sul e oeste da grade foram consideradas como valores de

concentração de fundo e as bordas norte e leste foram forçadas com valores de

concentração variando no espaço e no tempo.


Sorocaba


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Na borda leste da grade, foram colocadas como valores de fronteira as

concentrações de NO, NO2, e O3 registradas pela estação automática da

CETESB localizada no Parque do Ibirapuera e os valores de HCNM registrados

pela estação automática de São Caetano do Sul. Na borda norte, foram colocados

nos valores de fronteira concentrações registradas pela estação automática da

CETESB localizada em Paulínia.

As concentrações de fronteira foram construídas da seguinte forma: nas

células da borda leste marcadas em cinza (figura 17) foram colocados valores das

médias horárias das concentrações nas estações do Ibirapuera e São Caetano do

Sul correspondente a cada horário de simulação. Na borda norte, foi realizado o

mesmo procedimento para as células marcadas em cinza, porém a borda foi

forçada unicamente com as concentrações horárias de ozônio da estação de

Paulínia (figura 17). Nas bordas norte e leste, foram utilizados valores de

concentração de fundo para as células não marcadas em cinza.

Figura 17 – Variação espacial das condições de contorno da grade externa (células marcadas em cinza).


Sorocaba


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Devido às dificuldades em se encontrar perfis verticais de ozônio

troposférico para a região de Sorocaba e para essa época do ano, considerou-se

nesse estudo um perfil no qual os valores de concentração dos poluentes

permanecem constantes até 250m e acima dessa altura foram considerados

valores de fundo.

II.3.3 Forçantes Meteorológicas do Modelo

Os maiores erros em simulações fotoquímicas envolvem entradas

insatisfatórias de campos meteorológicos e de emissões (Russel e Dennis, 2000).

Bärtsch-Ritter et al. (2003) discutem as variações obtidas nas concentrações de

ozônio na área de Milão, para diferentes alturas da camada de mistura,

temperatura do ar, umidade específica e velocidade do vento. Esses estudos

demonstram a importância de se ter campos meteorológicos bem determinados

para que uma simulação seja bem sucedida.

Os campos meteorológicos são obtidos, em geral, através da interpolação

dos dados medidos nas estações e posterior análise objetiva desses dados, de

acordo com os procedimentos descritos em Goodin et al. (1979). Neste

procedimento utiliza-se um esquema de distâncias ponderadas pelo fator de 1/R²

(R é a distância em pontos da estação de medição). Para o campo de vento em

níveis superiores é utilizada a ponderação pelo fator 1/R.

Uma alternativa para a obtenção de campos meteorológicos é a utilização de

modelos prognósticos. Por exemplo, Ynoue (1999) utilizou o RAMS (Regional

Atmospheric Modeling System) para a geração dos campos para serem

incorporados no CIT. Giovannoni e Russel (1995) também fizeram um estudo

sobre o impacto de se utilizar campos de vento prognósticos e diagnósticos no

modelo fotoquímico CIT para a cidade de Atenas, Grécia.

Bärtsch-Ritter et al. (2003) utilizou o pré-processador SAIMM (SAI

Mesoscale Model: SAI, 1995), baseado no modelo hidrostático de mesoescala

MM2 (Pielke, 1974), para gerar os campos meteorológicos para simulações do

UAM-V.


Sorocaba


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As informações meteorológicas utilizadas nas simulações do UAM-V são

passadas ao modelo na forma de campos horários tridimensionais. Esses campos

consistem basicamente em:

Pressão Atmosférica e Espessura das Camadas: A grade do UAM-V possui

um número de camadas verticais determinado pelo usuário, as quais podem

variar de espessura no espaço e no tempo. As alturas com relação ao solo

dessas camadas e a pressão atmosférica do ponto médio dessas camadas são

definidas para cada célula do domínio. A pressão atmosférica é utilizada nas

expressões dos cálculos das taxas de algumas reações químicas. O modelo

utiliza um sistema de coordenadas que acompanha o terreno, dessa forma, as

camadas verticais são paralelas entre si e paralelas com relação ao solo, fazendo

com que todas as células de uma mesma camada possuam uma mesma altura

com relação ao solo, ao longo de todo o domínio.

Altura da Camada de Mistura: O UAM-V não utiliza um campo específico de

altura de camada de mistura, essa informação está implícita dentro do campo

tridimensional de turbulência vertical.

Uso do Solo e Albedo de Superfície: O tipo de utilização do solo é

parametrizado através de 11 categorias de cobertura. Esse parâmetro tem que

ser especificado para cada célula em forma de porcentagem de cada uma das

categorias e é utilizado para calcular a deposição seca. Os índices de albedo de

superfície também são necessários, pois são parâmetros utilizados pelo modelo

para calcular as variações nas taxas de fotólise em cada célula.

Terreno: O modelo considera que as influências do terreno já estão

embutidas nos campos meteorológicos de entrada (o modelo utiliza um sistema

de coordenadas que acompanha o terreno e supõe que os campos

meteorológicos de entrada estejam nesse mesmo sistema).

Campo de Vento: Essa variável é especificada de forma horária, com duas

opções de configuração, no centro de cada célula ou nas bordas das células. O

campo de vento tridimensional é utilizado pelo modelo para estimar os termos de

advecção horizontal na equação da difusão, calcular as velocidades verticais

(através da conservação de massa), calcular os parâmetros para a deposição na

camada de superfície, determinar as características de ascensão da pluma e

diagnosticar os coeficientes de difusão.


Sorocaba


Pág. II-22/24

Campo de Temperatura: A temperatura é especificada de forma horária, no

centro de cada célula em toda a grade tridimensional. A temperatura é utilizada

para avaliar as taxas das reações dentro do módulo de química e determinar as

características da ascensão da pluma e, também, para o cálculo da deposição

seca.

Coeficiente de Troca Vertical: O coeficiente de troca vertical é um parâmetro

horário calculado no topo de cada célula da grade. A difusividade vertical é

necessária para avaliar a porção vertical do termo de troca turbulenta na equação

da difusão atmosférica. Esse termo é importante para estudar a propagação

vertical dos poluentes na atmosfera.

Vapor de Água: A concentração de vapor de água (umidade absoluta) tem

que ser especificada de forma horária, no centro de cada célula da grade. A

concentração de vapor de água é necessária em taxas de reação dentro do

módulo de química que envolva a concentração do vapor. Essa variável é

especificada de forma horária, em todo o campo tridimensional, em ppmv.

A radiação atmosférica é calculada pelo modelo, baseando-se na

coordenada geográfica e na data, para calcular a incidência da radiação solar. A

fração de nuvens, a turbidez atmosférica (espalhamento e absorção de radiação

devido ao aerossol), e a densidade de ozônio na coluna acima da região

modelada, basicamente, ozônio estratosférico, são utilizados para ajustar o

cálculo da radiação incidente em superfície.

Os campos meteorológicos utilizados nesse estudo foram obtidos de duas

formas para a grade externa foram utilizados dados de reanálises do CDC –

NOAA interpolados espacialmente e temporalmente. Para a grade interna foram

utilizados dados meteorológicos da estação de superfície da CETESB de

Sorocaba interpolados com a estrutura vertical das reanálises do CDC.

II.3.4 Emissões das Fontes Móveis e Estacionárias em Superfície

Um dos pontos cruciais para simulações desse tipo, é a determinação

correta das emissões antropogênicas em superfície. O inventário da Tabela 2

apresenta uma estimativa, em unidade de 1000 toneladas por ano, das emissões


Sorocaba


Pág. II-23/24

das principais fontes móveis e estacionárias para os municípios de Sorocaba e

Votorantim.

Inicialmente foram simulados diversos cenários, nos quais aplicaram-se

alguns fatores de escala no inventário de emissões. Os fatores que apresentaram

melhores resultados nas simulações foram 0,5 NOX e 1,2 HCNM. Esses valores

ficaram próximos aos valores já utilizados anteriormente em outros trabalhos do

grupo de pesquisa (Andrade et al., 2004 e Vivanco e Andrade, 2006), como

correção inicial do inventário como um todo. Existem dois outros fatores

importantes a serem considerados: o perfil horário e o perfil diário de emissão.

O trânsito não flui da mesma forma sempre, isso significa que dividir a

emissão do inventário pelo número total de horas existente em um ano, não

representa adequadamente a realidade. Dessa forma, é necessário aplicar uma

ponderação, diária e horária, na divisão das emissões. A ponderação horária foi

extraída dos dados de tráfego da CET, enquanto que a ponderação diária foi

obtida através das razões entre as médias diárias e a média anual (Figuras 18 a

20).

Razões das Emissões

0

1

2

3

4

5

6

5/9/2004 6/9/2004 7/9/2004 8/9/2004 9/9/2004 10/9/2004

NOX/ANO

HCNM/ANO

HCNM/NOX

Figura 18 – Razões entre as médias diárias do período e a média diária do ano de 2004 para NOX, HCNM e a razão HCNM/NOX em (ppmC/ppm), calculadas para 05 a 10 de setembro de 2004.


Sorocaba


Pág. II-24/24

Razões das Emissões

02468

101214161820

16/8/2004 17/8/2004 18/8/2004 19/8/2004 20/8/2004

NOX/ANO

HCNM/ANO

HCNM/NOX

Figura 19 – Razões entre as médias diárias do período e a média diária do ano de 2004 para NOX, HCNM e a razão HCNM /NOX em (ppmC/ppm), calculadas para 16 a 20 de agosto de 2004.

Razões das Emissões Horárias

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Hora Local

HCNM

NOX

Figura 20 – Razões horárias das emissões veiculares de NOX e HCNM utilizadas nas simulações.


Sorocaba

Simulação Computacional do evento 05-10/09/2004

III

Pág. III-1/14

III SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO EVENTO OCORRIDO

DURANTE OS DIAS 05-10/09/04

Esse evento foi simulado no UAM-V utilizando-se inicialmente apenas a

grade externa e para verificação da simulação foram utilizados os dados de

concentração de O3 das estações do Parque do Ibirapuera e de Paulínia, os

dados de NO e NO2 da estação do Parque do Ibirapuera e os dados de HCNM da

estação de São Caetano. Com as saídas dessa simulação, foram obtidos os

valores de concentração de poluentes na borda para a grade interna e esse

evento foi novamente simulado, agora incluindo as emissões dos municípios de

Sorocaba e Votorantim.

Na cidade de São Paulo (Figura 21), esse evento consistiu, basicamente, em

cinco dias com ultrapassagens do nível de atenção (aproximadamente 0,1 ppm) e

um dia com ultrapassagem do padrão primário (aproximadamente 0,08 ppm). Em

Sorocaba (Figura 21), esse evento consistiu, basicamente, em um dia com

ultrapassagem do nível de atenção e três dias com ultrapassagem do padrão

primário.

Nesse período foram registrados picos noturnos de ozônio em maior

quantidade e intensidade em Sorocaba do que em São Paulo (Figura 21),

indicando, provavelmente, advecção do smog fotoquímico originado em São

Paulo para Sorocaba. A análise da direção do vento nesse período corrobora

essa hipótese.


Sorocaba


III

Pág. III-2/14

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

O3_SOR

O3_SP

Figura 21 – Médias horárias das concentrações de ozônio (em ppm) para as estações automáticas da CETESB em São Paulo (estação do Ibirapuera) e Sorocaba.

Apresenta-se a seguir os resultados das simulações para esse período para

a grade externa.

III.1 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE EXTERNA

Foram utilizados como dados de entrada para a simulação da grade externa

dados de reanálises do Climate Diagnostics Center – NOAA médias diárias dos

perfis verticais de temperatura, umidade absoluta, pressão atmosférica e vento.

Essa simulação foi realizada para estudar o efeito do transporte de poluentes da

RMSP para Sorocaba e também para a determinação das condições de contorno

da simulação para a grade interna que possui melhor resolução.

O período de simulação foi de sete dias, sendo o instante inicial às 00h do

dia 04/09 e o instante final às 23h do dia 10/09. As 24 horas iniciais da simulação

foram descartadas das análises, pois foram utilizadas para estabilizar o modelo.


Sorocaba


III

Pág. III-3/14

Na Figura 22 são apresentados os valores de concentração de NO (em ppm)

da estação de qualidade do ar de Sorocaba (NO_SOR) e os valores calculados

pelo modelo para Sorocaba (NO_UAM). As concentrações registradas de NO

foram inferiores a 0,04 ppm nos três primeiros dias, aumentando abruptamente

em três vezes no dia 08, ficando estável no dia 09 e diminuindo novamente no dia

10 (figura 22). Como essa grade foi simulada sem emissões, o NO calculado para

Sorocaba pelo modelo é todo oriundo das concentrações da borda leste (RMSP).

Esse gráfico permite observar que o NO emitido por São Paulo é consumido

quase na totalidade durante o trajeto até Sorocaba e que as concentrações desse

poluente registradas em Sorocaba são conseqüências diretas das emissões

locais.

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

NO_UAM

NO_SOR

Figura 22 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade externa.

Na Figura 23 são apresentados os valores de concentração de NO2 (em

ppm) da estação de Sorocaba (NO2_SOR), e os valores calculados pelo modelo

para Sorocaba (NO2_UAM). O NO2 apresentou um comportamento cíclico, com

período de um dia, e um pequeno aumento nas concentrações nos últimos dias

do evento. Como essa grade foi simulada sem emissões, o NO2 calculado para



Sorocaba


III

Pág. III-4/14

O NO2 simulado em Sorocaba pelo modelo tem duas origens, uma pequena parte

é emissão direta de NO2 por São Paulo e o restante do NO2 que chega a

Sorocaba é resultado da oxidação do NO, emitido por São Paulo, durante o trajeto

até Sorocaba (figura 23).

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

NO2_UAM

NO2_SOR

Figura 23 – Média horária das concentrações de NO2 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade externa.

Na Figura 24 são apresentados os valores de concentração de O3 (em ppm)

da estação de Sorocaba (O3_SOR), e os valores calculados pelo modelo para

Sorocaba (O3_UAM). Foram registradas concentrações elevadas de ozônio

durante todo o período com um gradual aumento nos últimos três dias. Como

essa grade foi simulada sem emissões, o O3 calculado para Sorocaba pelo

modelo é todo oriundo das concentrações da borda leste (RMSP). O O3

observado em Sorocaba tem duas origens, uma delas é o transporte direto de O3

de São Paulo para Sorocaba e a outra é o transporte de NO2 e HCNM que sofrem

reações químicas durante o trajeto até Sorocaba favorecendo a formação e

acúmulo de O3 na atmosfera.


Sorocaba


III

Pág. III-5/14

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

O3_UAM

O3_SOR

Figura 24 – Média horária das concentrações de O3 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade externa.

Essa simulação não considerou os efeitos da emissão local de poluentes,

mesmo assim, as concentrações de ozônio observadas foram parcialmente

reproduzidas, inclusive os picos secundários e noturnos, indicando que uma

grande parte do smog observado em Sorocaba nesse episódio pode ter tido como

origem São Paulo.

Em eventos com vento predominante de leste, como este caso, é possível

observar as condições de qualidade do ar de Sorocaba sendo praticamente

controladas pelas condições dos poluentes de São Paulo. Isso ocorre, pois a

distância entre essas duas cidades é relativamente pequena, cerca de 90 km em

linha reta, e a quantidade de poluentes emitidos na RMSP é muito grande, com

isso, a quantidade de poluentes que chega até Sorocaba é comparável com a

quantidade de poluentes emitidos pela própria cidade de Sorocaba.

Os municípios de Sorocaba e Votorantim estão no centro da grade utilizada

nas Figuras 25 à 30. Considerando o ozônio como traçador do smog fotoquímico,

fica evidente o transporte significativo dos poluentes de São Paulo para Sorocaba

e, conseqüentemente, a formação de uma pequena região com altas

concentrações de ozônio entre os dois municípios.


Sorocaba


III

Pág. III-6/14

Figura 25 – Concentração de O3 (em ppm) no dia 05/set/2004 às 12h para a grade externa



Sorocaba


III

Pág. III-7/14




Sorocaba


III

Pág. III-8/14




Sorocaba


III

Pág. III-9/14

III.2 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE INTERNA

Foram utilizados para a simulação da grade interna dados de reanálises do

Climate Diagnostics Center – NOAA interpolados com dados da estação de

superfície da CETESB, para o mesmo período de simulação da grade externa.


da estação de Sorocaba (NO_SOR) e os valores calculados pelo modelo

(NO_UAM). Essa grade foi simulada incluindo as emissões de Sorocaba e

Votorantim,com as características das fontes que foram apresentadas no capítulo

anterior. Os valores de concentração para as bordas dessa grade foram obtidas a

partir dos valores simulados na grade externa.

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

NO_UAM

NO_SOR

Figura 31 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade interna.

Na simulação da grade interna o NO calculado para Sorocaba pelo modelo

(figura 31) é praticamente todo originário das emissões locais, pois o NO que

chega a Sorocaba, oriundo de São Paulo, é praticamente quase residual (figura

22), em função de sua reatividade. As concentrações de NO calculadas pelo

modelo na grade interna (figura 31) são bem superiores aos valores encontrados


Sorocaba


III

Pág. III-10/14

na atmosfera, mesmo considerando as emissões locais como 50% do inventário

da CETESB.


ppm) da estação de Sorocaba (NO_SOR), e os valores calculados pelo modelo

(NO_UAM). Para a grade interna as simulações foram realizadas incluindo as

emissões de Sorocaba e Votorantim. As bordas dessa grade foram obtidas a

partir dos valores simulados na grade externa.

Na simulação para a grade interna o NO2 calculado para Sorocaba pelo

modelo possui duas fontes importantes, a primeira é São Paulo, que possui uma

contribuição significativa para o NO2 observado em Sorocaba durante esse

evento, principalmente para o período noturno e para as primeiras horas da

manhã (figura 23), e a segunda fonte é a oxidação do NO emitido em superfície.

0

0,03

0,06

0,09

0,12

0,15

0,18

0,21

NO2_UAM

NO2_SOR

Figura 32 – Média horária das concentrações de NO2 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V utilizando para a grade interna.

As concentrações de NO2 calculadas pelo modelo na grade interna, e

apresentadas na Figura 32, são bem superiores aos valores encontrados na

atmosfera. Nessa simulação, as emissões locais de óxidos de nitrogênio foram


Sorocaba


III

Pág. III-11/14

consideradas como sendo exclusivamente NO. Com isso, os valores de NO2

apresentados, são resultados basicamente, da oxidação do NO.

Utilizando-se a grade interna e considerando as emissões locais, o O3

formado pelo modelo supera as concentrações ambientais nos três últimos dias

da simulação (Figura 33). O O3 não é emitido em superfície e sim formado na

atmosfera pela fotólise do NO2. Em eventos com vento predominante de leste,

como este caso, o O3 observado é formado tanto pelos compostos precursores

locais quanto pelo transporte de O3 e precursores de São Paulo e Campinas. O

transporte direto de O3 de São Paulo e Campinas é responsável, principalmente,

pela formação de picos noturnos de O3 em Sorocaba, ao passo que o transporte

dos precursores é responsável pelo incremento no valor da concentração máxima

em Sorocaba (figura 33).

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

O3_UAM

O3_SOR

Figura 33 – Média horária das concentrações de O3 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V para a grade interna.


nas Figuras 34 à 39. Nessa simulação fica evidente o transporte significativo dos

poluentes de São Paulo e Campinas para Sorocaba, pela borda da grade, porém,

também fica evidente que as emissões locais não são desprezíveis para o

resultado final de concentração do ozônio.


Sorocaba


III

Pág. III-12/14

Figura 34 – Concentração de O3 (em ppm) no dia 05/set/2004 às 15h para a grade interna



Sorocaba


III

Pág. III-13/14




Sorocaba


III

Pág. III-14/14




Sorocaba


IV

Pág. IV-1/14

IV SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO EVENTO OCORRIDO

DURANTE OS DIAS 16-20/10/04

Esse evento foi simulado inicialmente no UAM-V utilizando apenas a grade

externa e os dados de concentração de O3 das estações do Parque do Ibirapuera

e de Paulínia, os dados de NO e NO2 da estação do Parque do Ibirapuera e os

dados de HCNM da estação de São Caetano, sem a inclusão de fontes de

poluentes. Com as saídas dessa simulação, foram obtidos os valores de borda

para a grade interna e esse evento foi novamente simulado, agora incluindo as

emissões dos municípios de Sorocaba e Votorantim.

Esse evento foi caracterizado para a cidade de São Paulo por, basicamente,

duas ultrapassagens do padrão primário e uma ultrapassagem do nível de

atenção, enquanto que para a cidade de Sorocaba apenas uma ultrapassagem do

nível de atenção (Figura 40).

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

O3_SOR

O3_SP

Figura 40 – Médias horárias das concentrações de ozônio para as estações automáticas da CETESB em São Paulo (Ibirapuera) e Sorocaba (em ppm).

Apresenta-se a seguir os resultados das simulações para esse período para

a grade externa.


Sorocaba


IV

Pág. IV-2/14

IV.1 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE EXTERNA

Foram utilizados para a simulação da grade externa dados de reanálises do

Climate Diagnostics Center – NOAA, médias diárias dos perfis verticais de

temperatura, umidade absoluta, pressão atmosférica e vento.

O período de simulação foi de seis dias, sendo o instante inicial às 00h do

dia 15/08 e o instante final às 23h do dia 20/08. As 24 horas iniciais da simulação

foram descartadas das análises, pois foram utilizadas para estabilizar o modelo.


da estação de Sorocaba (NO_SOR), e os valores calculados pelo modelo

(NO_UAM). Como essa grade foi simulada sem emissões, o NO calculado para


Esse gráfico mostra que o NO emitido por São Paulo não é observado na cidade

de Sorocaba, sendo que isso ocorreu devido à direção predominante do vento

nesse período, que resultou em uma trajetória principal do smog passando a sul

de Sorocaba. Embora uma pequena fração do smog chegue a Sorocaba, essa

fração não apresenta participação significativa de NO, pois este já foi totalmente

oxidado. Com isso, presume-se que as concentrações desse poluente registradas

em Sorocaba são conseqüências exclusivas das emissões locais.


Sorocaba


IV

Pág. IV-3/14

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

NO_UAM

NO_SOR

Figura 41 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da Estação de Sorocaba e o resultado do modelo para o mesmo ponto



(NO2_UAM). Como essa grade foi simulada sem emissões, o NO2 calculado para


Esse gráfico mostra que o NO2, tanto emitido por São Paulo, quanto formado no

percurso pela oxidação do NO, não é observado na cidade de Sorocaba, isso

ocorreu devido à direção predominante do vento, que resultou em uma trajetória

principal do smog passando a sul de Sorocaba. Com isso, presume-se que as

concentrações desse poluente registradas em Sorocaba são conseqüência direta

da oxidação do NO emitido localmente.


Sorocaba


IV

Pág. IV-4/14

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

NO2_UAM

NO2_SOR

Figura 42 – Média horária das concentrações de NO2 (em ppm) da Estação de Sorocaba e os resultados da simulação com o modelo (NO2_UAM).

Na Figura 43 são apresentados os valores de concentração de O3 (em ppm)

da estação de Sorocaba (O3_SOR), e os valores calculados pelo modelo

(O3_UAM). Como essa grade foi simulada sem emissões, o O3 calculado para


Os valores de O3 obtidos na simulação são bem inferiores aos observados em

Sorocaba nesse período. Isso ocorreu devido à direção predominante do vento,

que resultou em uma trajetória principal da pluma ao sul de Sorocaba e apenas

uma pequena parte do smog fotoquímico oriundo de São Paulo e Campinas

chegou até Sorocaba.


Sorocaba


IV

Pág. IV-5/14

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

O3_UAM

O3_SOR

Figura 43 – Média horária das concentrações de O3 (em ppm) da estação de Sorocaba e calculadas pelo UAM-V utilizando a grade externa.

Sem incluir a emissão de Sorocaba na grade, verifica-se que o modelo não

consegue representar picos de ozônio ocorridos nesse período.

Em eventos com vento predominante de nordeste, como este caso, não é

possível observar as condições de qualidade do ar de Sorocaba sendo

controladas pelas condições dos poluentes de São Paulo. Isso ocorre, pois

mesmo sendo a distância entre São Paulo e Sorocaba relativamente pequena, a

trajetória da advecção da pluma não cruza com os municípios de Sorocaba e

Votorantim.


nas Figuras 44 à 48. Considerando o ozônio como traçador do smog fotoquímico,

fica evidente a influência de São Paulo e Campinas nas condições de qualidade

do ar simuladas, mas nesse caso, a pluma transportada não afetou

significativamente a qualidade do ar de Sorocaba devido à direção do vento.

Ocorreu a formação de uma pequena região com altas concentrações de ozônio a

SE de Sorocaba.


Sorocaba


IV

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Sorocaba


IV

Pág. IV-7/14




Sorocaba


IV

Pág. IV-8/14


IV.2 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO PARA A GRADE INTERNA

Foram utilizados para a simulação da grade interna dados de reanálises do

Climate Diagnostics Center – NOAA interpolados com dados da estação de

superfície da CETESB, para o mesmo período de simulação da grade externa.


da estação de Sorocaba (NO_SOR) e os valores calculados pelo modelo

(NO_UAM). Essa grade foi simulada incluindo as emissões de Sorocaba e

Votorantim. As bordas dessa grade foram obtidas a partir dos valores simulados

para a grade externa.

Na simulação da grade interna o NO calculado para Sorocaba pelo modelo

(figura 49) é praticamente todo originário das emissões locais, pois o NO que

chega a Sorocaba, oriundo de São Paulo, é quase residual (figura 41). As

concentrações de NO calculadas pelo modelo na grade interna (figura 49) são

bem superiores aos valores encontrados na atmosfera, mesmo considerando as

emissões locais como 50% do inventário da CETESB.


Sorocaba


IV

Pág. IV-9/14

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

NO_UAM

NO_SOR

Figura 49 – Média horária das concentrações de NO (em ppm) da Estação de Sorocaba e resultado das simulações com o modelo UAM.



(NO2_UAM). Essa grade foi simulada incluindo as emissões de Sorocaba e

Votorantim. As bordas dessa grade foram obtidas a partir dos valores simulados

na grade externa.

Na simulação da grade interna o NO2 calculado para Sorocaba pelo modelo

possui como principal fonte a emissão local, uma vez que a influência de São

Paulo nesse evento é pequena.

As concentrações de NO2 calculadas pelo modelo na grade interna, e

apresentadas na Figura 50, são bem superiores aos valores encontrados na

atmosfera. Nessa simulação, as emissões locais foram consideradas como sendo

exclusivamente NO. Com isso, os valores de NO2 apresentados, são resultados

basicamente, da oxidação do NO.


Sorocaba


IV

Pág. IV-10/14

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

0,28

0,32

NO2_UAM

NO2_SOR

Figura 50 – Média horária das concentrações de NO2 (em ppm) da Estação de Sorocaba e resultados da simulação com o UAM.

Utilizando-se a grade interna e considerando as emissões locais, o O3

formado pelo modelo acompanha muito bem as concentrações ambientais

durante todo o período (Figura 51). O O3 não é emitido em superfície e sim

formado na atmosfera pela fotólise do NO2. Em eventos como este que a

influencia de fontes remotas é muito pequena o O3 observado é formado

basicamente pelas emissões locais.


Sorocaba


IV

Pág. IV-11/14

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

O3_UAM

O3_SOR

Figura 51 – Média horária das concentrações de O3 (em ppm) da Estação de Sorocaba e resultado da simulação com o UAM.


nas Figuras 52 à 56. Nessa simulação fica evidente que as emissões locais são a

principal fonte do smog nesse evento.


Sorocaba


IV

Pág. IV-12/14




Sorocaba


IV

Pág. IV-13/14




Sorocaba


IV

Pág. IV-14/14



Sorocaba

Validação e Análises dos Resultados

V

Pág. V-1/4

V VALIDAÇÃO E ANÁLISES DOS RESULTADOS

A validação das simulações de ambas as grades consistiu na aplicação de

testes estatísticos para a avaliação da acurácia dos resultados quando

comparados com dados observados. Os testes foram aplicados para as variáveis

NO, NO2 e O3 obtidas na estação de Sorocaba. Os métodos utilizados para a

validação das simulações foram descritos em Freitas, 2003.

Inicialmente foram calculadas as correlações entre as concentrações

registradas na estação de Sorocaba e as concentrações obtidas pelas simulações

da grade interna e externa para o mesmo ponto da estação de Sorocaba. A

equação da correlação é bastante conhecida e apresentada a seguir:

yxxy

yxr

),cov(

Sendo x e y referentes à variável medida e simulada, respectivamente.

Esse cálculo indica quanto os comportamentos das duas séries são

semelhantes, porém não contabiliza as divergências entre os valores observados

e medidos. Para suprir isso foram utilizados três testes complementares:

Erro médio (ME)

– expressa a diferença entre a média das simulações e a

média das observações e, portanto, o desvio da simulação para toda a série.

oyoyn

MEn

kkk

1

)(1

Erro médio quadrático (MSE)

– expressa a acurácia das simulações, pois é a

média quadrática das diferenças entre pares de simulações e observações.

n

kkk oy

nMSE

1

2)(1


Sorocaba


V

Pág. V-2/4

Raiz do erro médio quadrático (RMSEUB) (Pielke, 2002; Freitas, 2003) – esse

parâmetro expressa a habilidade (skill) de uma simulação. Este procedimento

considera a distribuição aproximadamente normal e serve como um complemento

aos outros parâmetros.

21

1

21 n

kkkUB ooyy

nRMSE

Segundo Pielke (2002), a habilidade de uma simulação é demonstrada

quando as seguintes condições são satisfeitas:

a) obssim ;

b) obsRMSE ;

c) obsUBRMSE , sendo obs

o desvio padrão das observações e sim

o desvio

das simulações.

Na tabela 6 são apresentados os resultados das estatísticas utilizadas para

avaliar as simulações das grades externa e interna para o período de 05-

10/set/2004. Para as duas grades utilizadas as simulações de NO e NO2 não

atendem aos critérios de representatividade apresentados e as simulações de O3

apresentam valores muito próximos aos necessários para atender os critérios de

representatividade.

Embora os critérios de representatividade da simulação de ozônio não

tenham sido totalmente atendidos, os valores ficaram muito próximos aos

necessários, o que permite realizar algumas considerações sobre as simulações e

o episódio. A correlação linear do ozônio para a grade externa é 0,25. Esse valor,

embora baixo, não pode ser desprezado, ainda mais considerando que

representa a influência da emissão de fontes remotas a cerca de 90 km de

distância, que chegam a Sorocaba em concentrações comparáveis com a própria

emissão local e com uma correlação linear de 25%.


Sorocaba


V

Pág. V-3/4

Tabela 6 – Estatísticas de acurácia da modelagem para o período de 05-10/set/2004.

Grade Externa (em ppm) Grade Interna (em ppm) Parâmetro

NO NO2 O3 NO NO2 O3

obs 0,016 0,013 0,028 0,016 0,013 0,028

sim 0,0011 0,0061 0,022 0,053 0,039 0,035

rxy 0,58 0,27 0,25 0,36 0,21 0,61

ME 0,0065 0,012 0,021 0,032 0,026 0,026

MSE 0,0003 0,0004 0,0013 0,0038 0,0023 0,0021

RMSEUB 0,036 0,013 0,031 0,049 0,038 0,029

Quando consideradas as emissões locais, a correlação linear da simulação

de ozônio aumentou consideravelmente, apesar dos critérios de

representatividade não terem sido totalmente atendidos, mas os valores estão

mais próximos aos recomendados para a definição de representatividade do

modelo. A correlação linear do ozônio para a grade interna é 0,61. Esse valor

demonstra que embora São Paulo tenha uma grande importância no valor da

concentração final dos poluentes, é a emissão local que determina o

comportamento das concentrações nesse período.

Na tabela 7 são apresentados os resultados das estatísticas utilizadas para

avaliar as simulações das grades externa e interna para o período de 16-

20/ago/2004. Para a grade externa, as simulações de NO e NO2 não atendem aos

critérios de representatividade apresentados, assim como a simulação de O3

utilizando a grade externa não atendeu aos critérios de representatividade, ao

passo que a simulação utilizando a grande interna apresentou valores muito

próximos aos necessários para atender os critérios de representatividade.


Sorocaba


V

Pág. V-4/4

Tabela 7 – Estatísticas de acurácia da modelagem para o período de 16-20/ago/2004.

Grade Externa (em ppm) Grade Interna (em ppm) Parâmetro

NO NO2 O3 NO NO2 O3

obs 0,031 0,017 0,026 0,031 0,017 0,026

sim 0,00006 0,00004 0,0018 0,069 0,053 0,018

rxy 0,013 0,062 0,69 0,55 0,050 0,72

ME 0,014 0,016 0,016 0,047 0,025 0,019

MSE 0,001 0,0007 0,001 0,0075 0,0031 0,0011

RMSEUB 0,030 0,017 0,025 0,057 0,055 0,031

Embora a simulação de ozônio com a grade externa não ter atendido aos

critérios de representatividade quando os dados simulados foram comparados

com as medidas na estação de Sorocaba, isso não implica em uma

desqualificação da simulação, e sim no fato do smog originado em São Paulo ter

sido advectado em direção a Sorocaba (figuras 44 a 48).

Quando consideradas as emissões locais, a correlação linear da simulação

de ozônio obtida foi a maior de todas as simulações. Os critérios de

representatividade não foram totalmente atendidos, mas os valores ficaram muito

próximos aos necessários. A correlação linear do ozônio para a grade interna é

0,72. Esse valor demonstra que nesse caso São Paulo não teve uma grande

importância na formação do smog fotoquímico de Sorocaba e que as emissões

locais, aliada as condições atmosféricas ocasionaram esse episódio.

A partir das tabelas 6 e 7 e das figuras 31, 32, 41 e 42 verifica-se que o

modelo não possui uma boa descrição da química dos compostos nitrogenados,

apresentando resultados significativamente diferentes dos esperados. A descrição

da química do ozônio é consideravelmente melhor, apresentando resultados mais

consistentes.


Sorocaba

Conclusões VI

Pág. VI-1/3

VI CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS

O objetivo deste trabalho foi o de avaliar o impacto de condições de fronteira

e de fontes locais na produção do ozônio troposférico em uma área urbana. Para

isso foi analisada a cidade de Sorocaba e seu entorno, que apresenta períodos

com concentrações elevadas de ozônio resultado das fontes locais e do

transporte do smog fotoquímico da Região Metropolitana de São Paulo.

Para esse estudo foi utilizado como ferramenta o modelo UAM-V

recomendado pela EPA (Environmental Protection Agency) dos Estados Unidos,

que entre várias características permite o uso de grades aninhadas o que

possibilitou o tratamento do impacto das emissões da RMSP sobre Sorocaba, de

uma forma simplificada. A descrição das condições de fronteira do UAM é uma

das principais qualidades do modelo. Esse sistema permite que estruturas

complexas como a RMSP, sejam descritas na borda da grade utilizando para isso

as concentrações das medidas ambientais.

O modelo utilizado nesse estudo apresenta muitas outras características

positivas, podendo-se destacar a principal delas é a metodologia utilizada para o

agrupamento dos hidrocarbonetos (hydrocarbons lumping). O CB-TOX agrupa os

hidrocarbonetos de acordo com as ligações carbônicas, o que possibilitou a

representação das emissões veiculares em diferentes classes de

hidrocarbonetos.

Embora com perda de acurácia, o modelo se mostrou capaz de reproduzir

eventos altamente complexos, como os utilizados nesse estudo, ou seja, eventos

longos e extremamente intensos, com vários dias de muita formação de ozônio.

No evento de setembro fica evidente a contribuição de São Paulo para a

formação do ozônio troposférico em Sorocaba nesse período. O transporte de

ozônio e seus precursores mostram a formação de uma região de máxima

intensidade de ozônio entre as duas cidades.

O evento de setembro demonstra que a contribuição de São Paulo para as

concentrações de NO e NO2 de Sorocaba é bem pequena, pois esses compostos

reagem rapidamente durante o percurso, chegando a Sorocaba apenas uma

pequena fração da emissão de São Paulo. No caso do ozônio, a contribuição é


Sorocaba

Conclusões VI

Pág. VI-2/3

significativa, pois ele é formado durante o trajeto e acumulado devido às reações

dos compostos orgânicos voláteis e NOX.

O evento de agosto mostra que Sorocaba por si só possui um potencial

significativo para formação de ozônio, pois mesmo em eventos que não possuem

a contribuição de São Paulo, ocorre a formação e acúmulo de ozônio troposférico.

Embora a capacidade desse modelo de reproduzir eventos de formação de

ozônio seja razoável, a descrição da química dos compostos nitrogenados deixa

muito a desejar. Nos dois episódios simulados e com ambas as grades, as

concentrações de NO e NO2 obtidas ficaram muito diferentes das encontradas

nas medidas ambientais. A simulação para esses dois poluentes não pode ser

considerada válida.

Esse estudo enfrentou uma série de dificuldades significativas que precisam

ser resolvidas para melhorar a capacidade de realização de estudos

computacionais de qualidade do ar em São Paulo. A principal delas é a falta de

um número maior de estações meteorológicas e de qualidade do ar, o que

compromete seriamente a qualidade de estudos desse tipo, pois a descrição

espacial do evento fornecida pelo modelo fica praticamente impossível de ser

verificada.

A ausência de uma estação de medida de HCNM em Sorocaba e a alta

irregularidade no funcionamento da estação de São Caetano (que possui um

monitor de HCNM em São Paulo) foram duas fontes significativas de erro para a

simulação. Pode-se ressaltar que a realização de simulações a partir de 2005

ficou ainda mais imprecisa, pois não há mais monitores contínuos de

hidrocarbonetos nas estações de qualidade do ar da CETESB. Outro fator que

compromete a qualidade dos dados é a imprecisão no inventário de emissões

para a RMSP e os outros municípios do Estado.

Uma dificuldade importante é a determinação da estrutura vertical que ficou

muito aquém do necessário. A falta de radiossondagens de ozônio para a RMSP

e para as cidades do interior obriga a utilização de premissas, tais como, estrutura

vertical constante, que não são boas. Além disso, a resolução vertical do modelo,

de apenas oito camadas, é muito baixa para simulações desse tipo. A falta de

mais estudos para determinar com maior acurácia e precisão a composição dos

hidrocarbonetos existentes na atmosfera das regiões urbanas do estado de São


Sorocaba

Conclusões VI

Pág. VI-3/3

Paulo é outro fator inerente às imprecisões das simulações desse tipo, pois a

composição dos compostos orgânicos voláteis atua de forma totalmente não-

linear na taxa de reação de formação do ozônio.

A ausência de uma estrutura SIG (Sistema de Informações Geográficas) e

de entradas e saídas netcdf dificultam uma implantação rápida desse modelo para

estudos com alta resolução espacial, a sua conexão com os modelos

meteorológicos e com os bancos de dados mundiais, bem como a sua viabilidade

como instrumento operacional em projetos de avaliação de impacto ambiental por

ozônio.

A utilização de modelos que contenham opções para descrição adequada

das condições de contorno se mostrou essencial para simulações de poluentes

em regiões que sofrem influencias significativas de transporte de áreas com

grandes concentrações de poluentes.

Como perspectivas de trabalhos futuros, podemos citar:

- A necessidade de experimentos de monitoramento ambiental de ozônio e

seus precursores;

- A necessidade de melhor representação das fontes móveis;

- A necessidade de melhor representação das fontes estacionárias

distribuídas no Estado de São Paulo.

- A necessidade do envolvimento da Região metropolitana de são Paulo e

outras áreas metropolitanas do estado em estudos de poluição do ar.


Sorocaba

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Pág. VII-1/5

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Departamento de Ciências Atmosféricas – IAG – USP · O ozônio é um composto secundário, formado a partir de reações fotoquímicas que envolvem principalmente os compostos