Earth Sciences Department Departamento de Ciencias de la Tierra



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Actualización del modelo fotoquímico CMAQv4.5 a CMAQv5.0.1




Principales cambios en la configuración CMAQ

Versión

CMAQv4.5

CMAQv5.0.1

Mecanismo químico

cb4-ae4-aq (HClg included)

cb5cl-ae5-aq

Photolisis rate

lookup tables

Inline

Mecanismo para partículas

AERO4 (SSA prod. from open ocean)

AERO5

Euler backward iterative solver

ebi-cb4

ebi_cb05cl

Horiz./vert. advection scheme

Yamartino mass-conserving

Horiz.: Yamartino mass-conserving/ Vert.: Piecewise Parabolic Method (PPM)

Vertical diffusion module

Eddy diffusivity theory

Asymetric Convective Model v2(ACM2). Eddy diffusivity theory

Aerosol deposition velocity

aero-depv2 (2nd generation)

aero-depv2 (2nd generation)

Cloud module (convective mix.)

cloud-acm

cloud_acm_ae5

Dry deposition routine

Models-3 + Cl species

Models-3 + Cl species

Los cambios en la versión CMAQv .0 incluyen:


Aerosol Module


  • Redesign

    • Eliminated dependencies and duplications across modules

  • AERO6

    • PM Other speciation

      • Added 9 new PM2.5 species: APNCOMI/J, AFEJ, AALJ, SSIJ, ATIJ, ACAJ, AMGJ, AKJ, and AMNJ

      • Included anthropogenic emissions of ANAJ, ACLJ, AH2OJ, and ANH4J

      • Changed the names of two species: AORGPA → APOC and A25 → AOTHR

      • AERO6 expects emissions inputs for 13 new PM species. CCTM will crash if any emitted PM species is not included in the emissions input file. See the CMAQv5 Technical Documentation for a list of the emissions species required with AERO6.

    • POA aging

      • Oxidative aging of POC leads to increases in APNCOM

      • Aging is modeled as a second-order reaction between OH and reduced primary organic carbon

    • Addition of ISORROPIA2

    • Addition of an inline windblown dust module

    • Sulfur chemistry updates

  • Updated SOA yield parameterization (AERO5 and AERO6)


Gas-phase Chemistry


  • Carbon Bond 05 (CB05)

    • Replaced existing toluene chemistry in CB05 with updated toluene chemistry (CB05TU [Whitten et al., 2010])

    • Revised rate constants for N2O5 hydrolysis in CB05 based on latest recommendations of IUPAC

    • Added reactions of toluene and xylene with chlorine radical

  • SAPRC-07 (TB & TC)

    • Fully updated organic and inorganic reactions

    • Updated photolysis rates

    • Use operator species to better represent chemical reactions in low-NOx conditions

    • Additional species with high emissions, high toxicity, or high SOA formation are treated explicitly

  • In-line Photolysis

    • Moved opacity and photolysis data (absorption cross section and quantum yield data) to a mechanism-dependent ASCII input file that is created by a preprocessor

      • Allows more flexibility to change/introduce data for photolysis rates or create/modify chemical mechanisms

      • The ASCII file defines the number of wavelengths and temperature interpolation points, allowing for adjustments to improve the accuracy of the radiative transfer calculation

      • The CCTM run script specifies the new input file with the environment variable CSQY_DATA

  • Added new algorithm that calculates the surface albedo based on land use categories, zenith angle, seasonal vegetation, and snow/sea ice coverage


Cloud Module
In coordination with MCIPv4.0, the CCTM cloud module was updated to simulate subgrid clouds only when the meteorological driver uses a convective cloud parameterization. The minimum horizontal grid resolution restriction that was present in previous CMAQ versions was removed.
Vertical Diffusion


  • Updates to the ACM module

    • Default read of C-staggered wind components from MET_DOT_3D

    • Corrected component-wise shear to properly use B-staggered winds; removed map-scale factor from wind shear calculation

    • Modified eddy diffusivity for stable conditions. Same modifications will be included in ACM2 in the next release of WRF (v3.4)

    • Reduced the minimum eddy diffusivity from 0.5 m2/s to 0.01 m2/s, and from 2.0 m2/s to 1.0 m2/s for urban areas. Minimum eddy diffusivity in WRF/ACM2 is 0.01 m2/s everywhere.


Vertical Advection
A new method for computing the vertical velocity has been implemented that follows the omega calculation in WRF but uses CMAQ’s advection schemes (PPM) to compute horizontal mass divergence. It is a two-step process in which we first integrate the continuity equation through the column to get the change in column mass and then solve for omega layer by layer using the horizontal mass divergence. See equation 2.27 in the WRF Tech Doc: http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/arw_v3.pdf. The new scheme is much less diffusive in the upper layers because it is constrained to have zero flux at the model top. However, mass conservation is not guaranteed. Testing has shown very small mass errors.
Dry Deposition


  • Bidirectional exchange of NH3

    • In-line calculation of fertilizer NH3 emissions

    • This feature substantially affects the wet and dry deposition of reduced nitrogen and ambient reduced nitrogen concentrations

  • Bidirectional exchange of Hg0

  • Mesophyll resistance added to the CCTM dry deposition routine m3dry

  • MOSAIC

    • Run-time option (CTM_MOSAIC) for output of land-use-specific deposition velocity and flux

    • Includes optional output of stomatal flux estimates (CTM_FST)

  • NO2 deposition velocity

    • Excluded the effects of HONO heterogeneous chemistry on deposition velocities

    • Mesophyll resistance is now calculated as a function of the Henry’s Law constant


Structural Updates


  • Redesign of the CGRID model species implementation to use a namelist file

  • Updates to comply with I/O API version 3.1

    • CMAQv5 requires the use of I/O API version 3.1 or newer

    • Removed deprecated INCLUDE files (PARMS3.EXT, FDESC3.EXT, and IODECL3.EXT)

    • Removed all instances of TRIMLEN

    • Utilize M3UTILIO module


Multipollutant Modeling


  • Includes multipollutant chemical mechanisms and species for gas, aqueous, aerosols, air toxics, mercury, and sea salt

  • Bidirectional exchange of Hg0


Two-way Coupled WRF-CMAQ
Coupled version of CMAQ that integrates WRF version 3.3 and CMAQv5. In this version, simulated aerosols from CCTM provide direct feedback to the WRF rad


  1. Cambio de versión del WRF 3.3.1 al 3.2.1

Debido a la actualización de la máquina MNv3, los scripts que se tenían preparados fallaron con la versión WRF 3.3.1, por lo que se decidió probar con la versión 3.2.1, que durante el año pasado dio buenos resultados, consiguiendo que funcionara. En cuanto el sistema se halla estabilizado se harán pruebas con la versión 3.4.1.


  1. Incremento de resolución del dominio de Andalucía de 2x2 km a 1x1km

Como consecuencia de esto:

  • Se ha creado una nueva malla de 1km para el dominio de Andalucía. En la tabla siguiente se observa en cambio de las mallas tanto para meteorología como para la química




Mallas del dominio de AND

Malla

CV2F AND 2km

Cv3F AND 1km

Fecha

Desde 2010-01

Desde 2013-02-08

Malla WRF

180,334,38,2km

360,668,38,1km

Malla CAMQ

178,332,15,1km

358,666,1,1km




  • Para el WRF de Andalucía (AND 1km), se ha tenido que hacer un suavizado de la orografía superior a 1000 m.

  • Se ha creado en la BBDD un nuevo dominio AND1km

  • Se ha dejado de generar la simulación a 2 km.




  1. Rediseño del Índice de la Calidad del Aire diarios (ICA).

Se ha sustituido el ICA, para el cual se presentaban hasta el 2012/09/16 tres versiones diferentes, con 4, 5 y 10 categorías, (ver gráficas y tablas siguientes), por el ICA-BSC y el ICA-CCAA cuyos rangos se describen más adelante.


Límite inferior de concentración de contaminantes asociado a cada nivel del ICA cuando se consideran 4 niveles


Contaminante/Clasificación

O3 1h

NO2 1h

PM10 24h

CO 8h

SO2 1h

Min

(ug/m3)

Min

(ug/m3)

Min

(ug/m3)

Min

(ug/m3)

Min

(ug/m3)

Buena

0

0



0

0

0



Aceptable

90


100

25


5000

175


Mala

180

200

50

10000

350

Muy mala

270


300

75


15000

525



Límite inferior de concentración de contaminantes asociado a cada nivel del ICA cuando se consideran 5 niveles


Contaminante/Clasificación

O3 1h

NO2 1h

PM10 24h

SO2 1h

CO 8h

Min

(ug/m3)

Min

(ug/m3)

Min

(ug/m3)

Min

(ug/m3)

Min

(ug/m3)

Muy buena

0

0



0

0

0



Buena

60


70

15


115

3000


Mejorable

120

140

30


230

6000


Mala

180

200

50

350

10000

Muy mala

240


315

75


525

15000


Límite inferior de concentración de contaminantes asociado a cada nivel del ICA cuando se consideran 10 niveles

ica10
Los nuevos ICAs, se muestran en la web con una máscara de mares. Para el ICA-BSC se evalúan ocho criterios (contaminante/período) y para el ICA CCAA cinco , Adicionalmente se crea un netcdf con los datos evaluados diariamente, según los criterios indicados anteriormente, que pueden servir para informes posteriores.

En las tablas siguientes se muestran los contaminantes y rangos de las dos nuevas clasificaciones:



El ICA BSC



ICA-CCA

Contaminante

ICA

O3 (8h)

NO2 (1h)

CO (8h)

PM10 (24h)

SO2 (24h)

Muy Mala

>150

>180

>300

>'15

>75

>187

Mala

101-150

120 -180

200-300

10-15

50-75

125-157

Admisible

51-100

60-120

100-200

5-10

25-50

63-125

Buena

0-50

0-60

0-100

0-5

0-25

0-63



Para algunos casos especiales se aplicarán los siguiente criterios:

1. En el caso del SO2 siempre que se supere el valor límite horario (350 mg/m3) fijado en el R.D. 102/2011 la calidad del aire será considerada “mala” y siempre que se supere el umbral de alerta (500 mg/m3) registrados durante tres horas consecutivas la calidad del aire será considerada “muy mala”.

2.En el caso del NO2 se tiene en cuenta para el cálculo del índice el valor límite medido en 1 hora que establece el R.D. 102/2011. Sin embargo, siempre que se supere el umbral de alerta (400 mg/m3) registrados durante tres horas consecutivas la calidad del aire será considerada “muy mala”.

3.En el caso del O3 siempre que se supere el valor de información a la población valor horario (180 mg/m3) fijado en el R.D.102/2011 la calidad del aire será considerada “mala” y si se supera el umbral de alerta para la población, valor horario (240 mg/m3) la calidad del aire se considerará “muy mala”.

4. La media octohoraria máxima correspondiente a un día se escoge examinando las medias móviles de ocho horas, calculadas a partir de datos horarios y que se actualizarán cada hora. Cada media octohoraria así calculada se atribuirá al día en que termine el periodo, es decir, el primer periodo de cálculo para cualquier día dado será el periodo que comience a las 17:00 de la víspera y termine a la 1:00 de ese día; el último periodo de cálculo para cualquier día dado será el que transcurra entre las 16:00 y las 24:00 de ese día


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