Validación de simulaciones de los modelos CALMET/CALPUFF en el entorno de una gran chimenea de central térmica

Abstract

CALMET/CALPUFF modeling system is frequently used in the study of atmospheric processes and pollution, and several validation tests were performed until now; nevertheless, most of them were based on experiments with a large compilation of surface and aloft meteorological measurements, rarely available. At the same time, the use of a large operational smokestack as tracer/pollutant source is not usual. In this work, first CALMET meteorological diagnostic model is nested to WRF meteorological prognostic model simulations (3x3 km 2 horizontal resolution) over a complex terrain and coastal domain at NW Spain, covering 100x100 km 2 , with a coalfired power plant emitting SO 2 . Simulations were performed during three different periods when SO 2 hourly glc peaks were observed. NCEP reanalysis were applied as initial and boundary conditions. Yong Sei UniversityPleimChang (YSU) PBL scheme was selected in the WRF model to provide the best input to three different CALMET horizontal resolutions, 1x1 km 2 , 0.5x0.5 km 2 , and 0.2x0.2 km 2 . The best results, very similar between them, were achieved using the last two resolutions; therefore, the 0.5x0.5 km 2 resolution was selected to test different CALMET meteorological inputs, using several combinations of WRF outputs and/or surface and upperair measurements available in the simulation domain. With respect to meteorological aloft models output, CALMET PBL depth estimations are very similar to PBL depth estimations using upperair measurements (rawinsondes), and significantly better than WRF PBL depth results. Regarding surface models surface output, the available meteorological sites were divided in two groups, one to provide meteorological input to CALMET (when applied), and another to models validation. Comparing WRF and CALMET outputs against surface measurements (from sites for models validation) the lowest RMSE was achieved using as CALMET input dataset WRF output combined with surface measurements (from sites for CALMET model input). Following, CALPUFF model was applied to simulate the local atmospheric diffusion of SO 2 (as an inert tracer) from a large power plant smokestack (with four parallel independent liners), considering two different stack configurations (one single point source as a summa of four liners vs. one point source per liner) and two different CALMET meteorological simulations (using as input dataset only the WRF model output vs. only surface and upperair meteorological measurements). Comparison of those CALPUFF simulations results against the hourly average ground level concentration (glc) measurements shows that the best model performance was obtained by using only WRF model output as CALMET input; also, better glc results are obtained considering one point source per liner in CALPUFF simulations. HernándezGarces et al. Validation of CALMET/CALPUFF models simulations… Física de la Tierra Vol. 27 (2015) 3555 36 Validación de simulaciones de los modelos CALMET/CALPUFF en el entorno de una gran chimenea de central térmica Resumen 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 km 2) sobre un dominio costero con terreno complejo en el Noroeste de España, abarcando 100x100 km 2 , con una central térmica de carbón que emitía SO 2 . Las simulaciones se han realizado durante tres períodos diferentes en los que picos horarios de inmisión de SO 2 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 UniversityPleimChang (YSU) fue seleccionado en el modelo WRF para proporcionar los mejores datos de entrada a tres resoluciones horizontales diferentes con CALMET: 1x1 km 2 , 0.5x0.5 km 2 , and 0.2x0.2 km 2 . Con las dos últimas resoluciones se obtuvieron los mejores resultados, muy similares entre sí; en consecuencia, la resolución 0.5x0.5 km 2 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 SO 2 (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. Palabras clave: CALMET, CALPUFF, WRF, validación e intercomparación de modelos, datos de superficie y radiosondeos, altura de capa de mezcla, dispersión de penachos atmosféricos, inmisión, configuración de chimenea. Contents: 1. Introduction. 2. Case study: As Pontes Power Plant. 3. Meteorological modelling. 4. CALMET modelling validation and intercomparison. 5. CALPUFF modelling validation and intercomparison. 6. Conclusions. Acknowledgements. References.