Validation of CALMET/CALPUFF models simulations around a large power plant stack

Abstract

El sistema de modelización CALMET/CALPUFF es empleado habitualmente en el estudio de procesos atmosféricos y de contaminación, y múltiples tests de validación han sido desarrollados hasta ahora; sin embargo, la mayoría de ellos están basados en experimentos con una gran compilación de medidas meteorológicas en superficie y en altura, pocas veces disponibles. Al mismo tiempo, el uso de una gran chimenea en operación como fuente del trazador/contaminante empleado para la validación de modelo CALPUFF no es habitual. En este trabajo, en primer lugar, el modelo de diagnóstico meteorológico CALMET (con diversas resoluciones horizontales) es anidado a simulaciones del modelo de predicción meteorológica WRF (resolución horizontal de 3x3 km2) sobre un dominio costero con terreno complejo en el Noroeste de España, abarcando 100x100 km2, con una central térmica de carbón que emitía SO2. Las simulaciones se han realizado durante tres períodos diferentes en los que picos horarios de inmisión de SO2 fueron detectados. Como condiciones iniciales y de contorno del modelo WRF se aplicaron los reanálisis del NCEP. En particular, el esquema de capa límite Yong Sei University-Pleim-Chang (YSU) fue seleccionado en el modelo WRF para proporcionar los mejores datos de entrada a tres resoluciones horizontales diferentes con CALMET: 1x1 km2, 0.5x0.5 km2, and 0.2x0.2 km2. Con las dos últimas resoluciones se obtuvieron los mejores resultados, muy similares entre sí; en consecuencia, la resolución 0.5x0.5 km2 se eligió para ensayar distintos datos meteorológicos de entrada al modelo CALMET, empleando varias combinaciones de los resultados obtenidos con el modelo WRF y/o medidas meteorológicas en superficie y en altura disponibles en el entorno de simulación. Sobre los resultados de los modelos WRF y CALMET en altura, las estimaciones de altura de capa de mezcla derivadas de medidas en altura (radiosondeos) son bastante similares a los resultados de las simulaciones CALMET, y mejores que los resultados del modelo WRF. Sobre los resultados de los modelos WRF y CALMET en superficie, se dividieron las estaciones disponibles en dos conjuntos, uno para proporcionar datos de entrada al modelo CALMET (cuando se usaron), y otro compuesto por estaciones para validación. Comparados los resultados de los modelos WRF y CALMET con medidas en superficie de las estaciones para validación el RMSE más bajo se alcanzó empleando como datos de entrada al modelo CALMET los resultados del modelo WRF combinados con medidas en superficie (de las estaciones seleccionadas para proporcionar datos de entrada al modelo CALMET). En segundo lugar, el modelo CALPUFF fue aplicado para simular la dispersión local de SO2 (como trazador) de una gran chimenea de central térmica (con cuatro conductos independientes), considerando tanto dos diferentes configuraciones de chimenea (un solo foco puntual suma de los cuatro conductos vs. un foco puntual por conducto) como dos resultados distintos del modelo CALMET (usando como datos de entrada: solo los resultados del modelo WRF vs. solo medidas meteorológicas en superficie y en altura). La comparación de dichas simulaciones CALPUFF frente a las medidas de inmisión disponibles (promedios horarios) mostró que el mejor rendimiento del modelo se obtuvo empleando los resultados del modelo WRF como datos de entrada para CALMET; también, mejores resultados de inmisión se obtuvieron considerando un foco puntual por conducto en las simulaciones con CALPUFF.