GF 515 (9 UD): MODELACIÓN ATMOSFÉRICA ORIENTADA A LA

GF 515 (9 UD):
MODELACIÓN ATMOSFÉRICA ORIENTADA A LA DISPERSIÓN
DE CONTAMINANTES
La atmósfera es un sistema dinámico extraordinariamente complejo cuyo estudio a través
de modelos numéricos sólo pudo ser abordada, en forma práctica, en la segunda mitad de
este siglo. La modelación atmosférica estuvo dominada en sus inicios por el desarrollo de
modelos de predicción del tiempo, un área que aún ocupa la atención de buena parte de la
comunidad científica. Hace un poco más de dos décadas se hizo evidente que la modelación
atmosférica habría de incorporar las características químicas y las interacciones de los
elementos químicos con el sistema dinámico. Esto no obedecía sólo a un interés puramente
académico de entendimiento del sistema atmosférico, sino que a la evidencia creciente de
que las actividades industriales, agrarias y de otro tipo estaban afectando nuestro medio
ambiente. Hoy en día, la modelación atmosférica es una herramienta indispensable a la hora
de evaluar y ponderar el cómo de un desarrollo sustentable, desde la escala urbana hasta la
escala global. Chile está enfrentando una creciente demanda de conocimientos y
tecnologías para abordar problemas tales como la contaminación del aire en zonas urbanas
y aledañas, la contaminación del aire en torno a centros industriales, etc..
Acorde a lo anterior, la formación de científicos y tecnólogos debe incluir, entre otros,
los elementos básicos de las herramientas de modelación atmosférica orientadas a la
dispersión de contaminantes. En este contexto, se propuso el curso descrito a continuación.
Este curso aborda temas de modelación atmosférica, familiarizando a los estudiantes con
modelos de dispersión atmosférica y desarrollando algunas habilidades y estableciendo
algunos criterios pertinentes a la implementación y la aplicación de los mismos.
Contenidos
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Clasificación y caracterización de problemas de dispersión según escalas de tiempo
y espacio
Ecuaciones de movimiento y energía para la atmósfera (ecuación hidrostática,
geostrofía, etc.)
Sistemas de circulación atmosféricos (globales, sinópticos, locales)
Procesos de dispersión y mezcla atmosférica
Descripción de procesos de dispersión en referentes Eulerianos y Lagrangianos
(Ecuación de continuidad)
Fuentes y sumideros químicos y su tratamiento en modelos
Emisiones de distintos contaminantes y su modelación
Sumideros por procesos de deposición
Modelos de dispersión
 Generalidades
 gaussianos
 modelos de caja
 modelos a escala urbana
 modelos regionales
 modelos globales
Validación de modelos
Objetivos
El objetivo principal es familiarizar a los estudiantes con modelos de dispersión
atmosférica, desarrollar algunas habilidades y establecer algunos criterios pertinentes al
desarrollo y aplicación de los mismos.
Objetivos específicos
Al cabo de este curso, los estudiantes deberán ser capaces de:
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Clasificar problemas de contaminación según escalas de tiempo y espacio (locales,
regionales, globales).
Definir los conceptos de:
o tiempo de recambio, tiempo de residencia
o emisión, inmisión
o circulación ciclónica, anticiclónica, geostrofía
o trayectoria (isobárica, isentrópica)
o advección, convección, difusión molecular, turbulencia
o parametrización
o deposición húmeda, seca, en nubes
o estratificación térmica, inversión térmica, capa de mezcla
o etc.
Identificar los posibles efectos de varios contaminantes, entre ellos, compuestos de
azufre y nitrógeno (oxidados y reducidos), ozono, material particulado, metales, etc.
Identificar los términos de las ecuaciones de movimiento y energía de la atmósfera
Aplicar la aproximación de balance hidrostático y geostrofía
Identificar los términos y resolver la ecuación de continuidad en casos particulares
Resolver sistemas de ecuaciones para familias químicas en casos particulares
Estimar tiempos de recambio con respecto a procesos de deposición
Aplicar modelos gaussianos simples (penachos vs. estabilidad atmosférica)
Aplicar modelos de caja simples
Identificar las características de los modelos de escala:
 urbana
 regional
 global
Describir y analizar parametrizaciones de procesos de dispersión en modelos
Establecer criterios de elección de modelos ante problemas particulares
Definir metodologías de validación de modelos de dispersión atmosférica
Requisitos
Cursos básicos de matemáticas, física y química (aproximadamente dos años de formación
universitaria en ciencias y/o tecnología). SM 400
Metodología
Se impartirán clases en las cuales los contenidos serán abordados en forma general. Guías
de ejercicios y trabajo de investigación propio de los estudiantes estimularán un aprendizaje
más profundo de los tópicos discutidos en las clases. Ejercicios computacionales serán
implementados en la medida que haya recursos computacionales disponibles.
La dedicación en tiempo por parte de los alumnos se estima en ocho (8) horas semanales de
trabajo. Tres (3) horas semanales de clases, una (1) hora semanal de ejercicios y controles
de lectura y cuatro (4) horas semanales de trabajo personal.
La evaluación se realizará a través:
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ejercicios y controles de lectura cada 15 días (30%)
presentación (oral y escrita) de un proyecto de investigación durante tres semanas
(40%)
un examen escrito (30%)
La ponderación de cada una de estas actividades para la evaluación final se indica
porcentualmente entre paréntesis.
Bibliografía
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Brasseur, G. P. , a. B. Khattatov, and S. Walters, 1999: Modeling, in Atmospheric
Chemistry and Global Change, edited by G. Brasseur, a. J. Orlando, and G.Tyndall,
Oxford University Press, Oxford.
Graedel, T. & Crutzen, P., 1993: Atmospheric Change: An Earth system perspective.
AT& T. W.H. Freeman and Company, New York.
Granier et al, 2002. Modeling. In “The Changing Atmosphere: An Integration and
Synthesis of a Decade of Tropospheric Chemistry Research”. Brasseur et al (Eds.). Por
aparecer en Noviembre de 2002 por Springer-Verlag (ISBN: 3-540-43050-4).
Jacobson, M. 1999: Fundamentals of atmospheric modeling, Cambridge University
Press, Cambridge.
Rodhe, H., 1992: Modeling Biogeochemical Cycles, en Global Biogeochemical Cycles.
Vol. 50 en International Geophysics Series. Butcher et al., editores. ©Academic Press.
Seinfeld, J. y Pandis, S., 1998. Atmospheric Chemistry and Phyics. From Air pollution
to climate change, J. Wiley and Sons, Inc.
Zannetti, P., 1990: Air pollution modeling. Theories, computational methods and
available software. Computational Mechanics Publications.
Literatura especializada
Planificación de actividades
Fecha
17/3
24/3
7/4
14/4
21/4
28/4
5/5
12/5
26/5
2/6
9/6
2/6
9/6
16/6
23/6
30/6
Actividad
Clase 1: Introducción...escalas, tiempo de recambio
Clase 2: Circulaciones atmosféricas
Tarea 1
Clase 3: Ecuación de continuidad
Tarea 2
Clase 4: Emisiones e inventarios
Clase 5: Transformaciones físicas y químicas
Tarea 3
Clase 6: Transporte atmosférico
Selección de tema de investigación
Tarea 4
Clase Auxiliar
Clase Auxiliar
Visita a Dirección Meteorológica de Chile y/o al Centro Nacional
del Medio Ambiente
Clase 7: Deposición
Clase 8: Modelos locales
Clase 9: Modelos urbanos y regionales
Tarea 5
Clase 10: Modelos globales
Presentación de primer borrador de presentación
Clase 11:Validación e integración de plataformas
Tarea 6
Clase 12: Presentación de trabajos de investigación
Clase Auxiliar
Temas propuestos para trabajo de investigación.
1. Modelación de contaminación fotoquímica:¿cuál es el estado del arte?, ¿hacia
donde se está yendo?
Puntos de partida:
 Tilmes, S., Brandt, J., Flatøy, F., Bergström, R., Flemming, J., Langner, J.,
Christensen, J.H., Frohn, L.M., Hov, Ø., Jacobsen, I., Reimer, E., Stern, R.
And Zimmermann, J. 2002. Comparison of Five Eulerian Air Pollution
Forecasting Systems for the Summer of 1999 Using the German Ozone
Monitoring Data. J. Atmos. Chem. 42, 91-121.
 Molina, L., and Molina, M., (Editors) 2002. Air Quality in the Mexico Mega
City: An Integrated Assessment, Kluwer Academic Publishers.
2. Pronóstico del tiempo químico
Puntos de partida:
 Bengtsson, L., 1999. From short-range barotropic modelling to extendedrange global weather prediction: a 40-year perspective. Tellus 51 A-B, 1332.
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http://www.mpch-mainz.mpg.de/~lawrence/forecasts.html
3. Optimización de inventarios de emisiones de fuentes móviles: necesidades y
aproximaciones metodológicas
Puntos de partida:
 Pétron G., Granier C., Khattatov B., Lamarque J.-F., Yudin V., Müller J.-F.,
Gille J., Inverse modeling of carbon monoxide surface emissions using
CMDL network observations, Journal of Geophysical Research, Vol. 107,
D24, 2002.
4. Dispersión de penachos volcánicos
Puntos de partida:
 Textor, C.; Graf, H.; Timmreck, C.; Robock, A. 2003. Emissions from
Volcanoes. In: "Emission of Chemical Compounds and Aerosols in the
Atmosphere" Granier, C.; Reeves, C.; Artaxo, P. (eds.). Kluwer Academic
Publishers, Dordrecht, Boston, London, en prensa.
 Sparks, R.; Bursik, M.; Carey, S.; Gilbert , J.; Glaze, L.; Sigurdsson, H.;
Woods, A. 1997. Volcanic Plumes. John Wiley & Sons. 574 pp. Nueva
York.
5. Aplicación de técnica de cálculo de trayectorias para datos de Rapa Nui
Puntos de partida:
 Stohl, A., 1998. Computation, accuracy and applications of trajectories - a
review and bibliography. Atmos. Environ. 32, 947-966.
 Stohl, A., M. Hittenberger, and G. Wotawa, 1998. Validation of the
Lagrangian particle dispersion model FLEXPART against large scale tracer
experiments. Atmos. Environ. 32, 4245-4264.
6. Otro tema a acordar con la profe
Los trabajos deben desarrollarse en grupos de 2 a 3 personas.