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LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

 

1. Análisis estadístico de trayectorias y relación con constituyentes atmosféricos
El análisis basado en trayectorias lagrangianas es una técnica cada vez más utilzada en los estudios de transporte atmosférico. Hemos desarrolado un procedimiento robusto de clustering de trayectorias, basado en el algoritmo de k-medias con distancias de círculo máximo. La relación estadística entre los patrones de advección identificados con el clustering y la concentración de contaminantes (y otros constituyentes) atmosféricos se realiza por métodos no parámetricos, ya sean tradicionales o basados en técnicas de resampling. La combinación de medidas de concentración y trayectorias en forma de mapas de tiempos de residencia y de altura media de las retrotrayectorias, así como de los denominados PSCF (función de contribución potencial de fuentes) y MCAR (valor medio en el punto "receptor"), ayudan a identificar zonas que podrían contribuir a las concentraciones en el punto de estudio, y son procedimientos que tenemos actualmente automatizados.

En los últimos años hemos estudiado cómo influye la historia seguida por el aire que llega a distintas alturas en diferentes puntos geográficos sobre la materia particulada en suspensión (PM10, PM2.5, distribución de tamaño de aerosoles), sobre las propiedades ópticas del aerosol, la actividad de radio-núclidos de origen natural, y de distintos parámetros meteorológicos. En este trabajo hemos colaborado con distintos grupos españoles y europeos.

También hemos mostrado que el análisis de la circulación atmosférica desde un punto de vista climatológico, se puede abordar con trayectorias. Es una alternativa a las clasificaciones de tipo de tiempo o de circulación basados en cartografías geopotenciales o de presión en superficie. En seis localizaciones en Europa hemos estimado las tendencias temporales en la frecuencia de los distintos patrones de transporte (identificados a través de clustering de trayectorias) y su asociación con el índice de la NAO.

Actualmente estamos desarrollando un paquete en R, denominado Open Statistical tools for Trajectory Analysis (OSTRA), para que nuestros procedimientos queden disponibles a la comunidad científica. Nos parece que está bien corresponder al beneficio que hemos obtenido al utilizar otros muchos datos y herramientas de uso público. En OSTRA se incluye una variante de clustering muy eficiente, basada en un swap "inteligente" de centroides y un posterior afinado por k-medias.
Además estamos empezando a trabajar con modelos lagrangianos de dispersión de partículas (LPDM); nos hemos decidido por el modelo STILT.


2. Estudio de la influencia del viento en la movilización de partículas del suelo y en los niveles de concentración de partículas en suspensión

Hemos estudiado la influencia del viento en la concentración de materia particulada en suspensión durante tres años en tres puntos del sureste semiárido peninsular. El estudio mostró que la resuspensión por el viento en esta zona no se refleja en los niveles de PM10 (medias diarias, objeto de regulación en la normativa de calidad del aire), a no ser que se reciba el impacto directo de una fuente intensa de polvo: los valores de PM10 son inferiores cuanto mayor es la velocidad del viento. La distribución de tamaño de partículas muestra que cuando la velocidad del viento se incrementa ligeramente se produce una dilución del material particulado ya existente en suspensión en condiciones de calma (polvo provocado por actividad humana, facilitado por condiciones convectivas asociadas a la insolación, y no eliminado en condiciones de baja ventilación y lluvia escasa). Por lo demás, el comportamiento es la reducción de la concentración de las partículas de menor tamaño y el aumento de forma neta de la concentración de las mayores, donde se aprecia que el umbral de velocidad debe aumentar para que se produzca el aumento neto de partículas de cada vez menor tamaño.

Hemos estudiado la movilización de partículas del suelo por la acción del viento, en relación con las condiciones meteorológicas y de suelo, en el Parque Natural de El Hondo. La lámina de agua presenta severos cambios a lo largo del tiempo y en la superficie seca expuesta al viento quedan sedimentos y eflorescencias salinas que provocan verdaderas tormentas de polvo.

Las medidas de suspensión de partículas se realizan con captadores de PM10 y con contadores de partículas; y la saltación la medimos con captadores pasivos de diseño propio. Los trabajos en este línea se han realizado dentro de dos proyectos con financiación pública, que agradecemos.

 

3. Modelización de procesos de deposición y levantamiento de partículas

La deposición de partículas sobre sustratos no planos ha sido estudiada con simulaciones MonteCarlo en función de la geometría del sustrato, de la relación advección/difusión y de distintos mecanismos de adhesión.


4. Estructura vertical del transporte de polvo africano

A partir de los radiosondeos de las 12 UTC de Murcia, Gibraltar y Dar El Beida del periodo 1997-2006, hemos estudiado la estructura vertical de la baja troposfera en la porción más occidental del Mediterráneo. Realizamos un análisis de clusters de los perfiles de temperatura potencial, razón de mezcla y componentes E y N del viento; y estudiamos parámetros meteorológicos y de calidad de aire en función de los perfiles tipo.

Analizamos también los perfiles individuales en situaciones de transporte de polvo norteafricano, y mostramos que el polvo se transporte principalmente en capas confinadas entre estratos de mayor estabilidad.

Actualmente estamos estudiando la relación entre las intrusiones de polvo africano de mayor impacto (a nivel de suelo) en el sur de la Península Ibérica y el transporte sobre el Atlas en situaciones de fuerte inestabilidad.

 

PRINCIPALES PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

 


- Impacto de las intrusiones de masas de aire con polvo africano y de masas de aire estratosférico en la Península Ibérica. Influencia del Atlas (FRESA, CGL2015-70741/CLI). Ejecución: 2016-2018.


- Erosión eólica en el Parque Natural de El Hondo. Distribución de tamaño, fracción PM10 y niveles de plomo del polvo en suspensión(EroHondo, CGL2008-05160/CLI; ACOMP/2011/088; ACOMP2009/041). Ejecución: 2009-2011, 2012.


- Contribución de la resuspensión a los niveles de materia particulada en el sureste español
(RESUSPENSE, CGL2004-04419/CLI; ACOMP06/060). Ejecución: 2005-2007.

 

INSTRUMENTACIÓN

 

Medida de perfiles verticales atmosféricos

Ceilómetro LIDAR CHM15K-Nimbus (operativo desde diciembre de 2014)

 

Muestreo de partículas en supensión

2 Espectrómetros de aerosoles, GRIMM EDM-365

2 captadores de bajo volumen, LVS3.1 de Derenda, con cabezal PM10

2 DustTrakII de TSI

 

Muestreo de partículas en saltación

1 Sensor piezoeléctrico de saltación Sensit H11B

Captadores pasivos de saltación de creación propia

 

Registro de parámetros meteorológicos y del suelo

1 Estación meteorológica portátil NOMAD de Casella

1 Estación meteorológica Vaisala WXT520, con anemómetro sónico

1 Torre de 10 m instrumentada con anemómetros a 4 alturas

1 Estación de medida de temperatura y humedad de suelo y aire, y de radiación solar

 

TESIS

 

Influence of local and synoptic scale advencion on air quality

María Cabello Ganuza, junio 2012. Apto cum laude.

Mención especial de la Sociedad Española de Ciencia y Tecnología de Aerosoles, 2013.

Resumen: La calidad del aire en una zona está directamente relacionada con la meteorología local; sin embargo, se sabe que el transporte a larga distancia de contaminantes puede tener una influencia apreciable en los niveles de inmisión en otros países y continentes. El objetivo de esta tesis es contribuir a un mejor conocimiento del papel de la velocidad del viento local y de la historia y el origen de las masas de aire que llegan al lugar de estudio en los niveles de materia particulada en suspensión registrados allí.
Datos de viento de 17 estaciones meteorológicas distribuidas por la provincia de Alicante (SE de España), concentración del material particulado en suspensión muestreado en tres puntos catalogados como de fondo urbano, rural y fondo rural, situadas en una zona semi-árida de Alicante, y un análisis de conglomerados de trayectorias que llegan al SE español, han sido realizados para estimar la influencia de la meteorología local y sinóptica en la calidad del aire. Asimismo, se ha relacionado la concentración de partículas en suspensión y la actividad de 7Be and 210Pb (radionúclidos naturales de distinto origen) en aerosoles en Málaga (S de España) con los principales patrones de transporte, obtenidos con el análisis de conglomerados de retro-trayectorias. La variación espacial y temporal del impacto sobre la calidad del aire de una intensa entrada de polvo africano en el territorio español, ha sido estudiada como ejemplo del transporte a larga distancia de polvo que se da con frecuencia en la zona.
Los valores de PM10 diarios disminuyen de forma neta conforme aumentan las velocidades del viento; sin embargo, las medidas de distribución de tamaño de partícula realizadas con mayor resolución temporal muestran que se produce la resuspensión de las partículas mayores mientras que las de menor tamaño son dispersadas. La contribución antrópica al PM10 en la estación de fondo urbano es de 5 µg/m3, mientras que la intrusión africana supone 7 µg/m3 y es la contribución dominante en el intervalo de tamaños 0,65-2,5 µm.
Se ha desarrollado e implementado un algoritmo robusto de conglomerados para analizar las trayectorias del aire que llega al área de estudio. Siete años de retro-trayectorias cinemáticas de 96 horas, calculadas con el modelo HYSPLIT v.4, calculadas para 500, 1500 y 3000 m snm, fueron clasificadas en grupos usando las latitudes y longitudes horarias como variables de entrada. Aunque los flujos principales identificados con la media del análisis de conglomerados de las retro-trayectorias no muestran diferencias sustanciales y las clasificaciones finales son cualitativamente similares, los resultados son sensibles a la meteorología usada y al método de inicialización de la clasificación. La mayoría de las trayectorias identificadas en la baja troposfera libre corresponden a vientos del oeste: flujos del noroeste (NW) de diferente longitud, zonales (W) y del suroeste (SW); en cambio, en la capa de mezcla predominan los flujos lentos producidos por un bajo forzamiento sinóptico y condiciones estables.
Las principales vías de transporte identificadas con el análisis de conglomerados tienen una gran influencia en la distribución de tamaño de aerosoles, la concentración de PMx y la actividad de radionúclidos. Los vientos del noroeste rápidos están asociados a velocidades de viento altas en superficie que llevan a la dispersión y a bajas concentraciones; por lo tanto con flujos NWfast hay baja concentración de radionúclidos, PMx y partículas finas, y en cambio, crecen los niveles de partículas gruesas levantadas por el viento. Por el contrario, los flujos MedR (a bajas alturas) ocurren fundamentalmente con bajo forzamiento sinóptico, lo que favorece procesos de recirculación y condiciones de estancamiento y lleva a una progresiva acumulación de las partículas en suspensión; además los flujos del SW (a 3000 m) están asociados principalmente con masas de aire cargadas de polvo africano; por lo tanto, MedR y SW muestran los mayores niveles de actividad de radionúclidos, concentración de PMx y partículas finas, así como bajos niveles de partículas gruesas.
Para una mejor estimación del impacto del transporte a larga distancia, se ha estudiado con gran resolución temporal (horaria) y espacial (261 estaciones de calidad del aire en España) la entrada masiva de polvo provocada por una intrusión africana. La magnitud del episodio es clara si se considera que el 89% de las estaciones superaron los límites diarios, y las mayores concentraciones de PM10 fueron registradas en la serie temporal (2002-2009) de estaciones de medida como Víznar pertenecientes a la red EMEP de estaciones de fondo. Las concentraciones de los mayores PM10 diarios muestran una disminución de sur a norte que sigue una ley de potencias.

 

Clasificación objetiva del perfil vertical troposférico en el área sur-occidental del Mediterráneo y su relación con la intrusión de polvo africano

Erika Leyva García, diciembre 2011. Apto cum laude.

Resumen: Los radiosondeos son un extensa fuente de información, disponible en un amplio periodo temporal (varias décadas) y con gran cobertura espacial (estaciones distribuidas por todo el globo). El objetivo principal de esta tesis es realizar una clasificación estadística de perfiles verticales troposféricos considerando conjuntamente los perfiles de temperatura potencial, razón de mezcla, velocidad y dirección del viento, procedentes de los ficheros RAOB de las 12Z de las estaciones de Murcia (38,00° N 3,21° E 62 m snm), Gibraltar (36,15° N 5,35° W 4 m snm) y Dar El Beida (36,68° N 3,21° E 29 m snm) para el periodo 1997-2007. Así, se caracteriza el área suroccidental del Mediterráneo, obteniéndose 7 perfiles verticales tipo que presentan situaciones sinópticas y estacionalidad bien marcada. La meteorología  de superficie, la estabilidad (y por tanto la altura de la capa de mezcla) y la calidad del aire son características de cada perfil.
La estructura vertical de la atmósfera puede verse modificada en situaciones de transporte de polvo norteafricano. El segundo objetivo de esta tesis es estudiar cómo cambian los perfiles verticales en situaciones de intrusión sahariana, tanto en promedios del periodo 2002-2007 como para episodios individuales. Con frecuencia el transporte se produce en capas definidas en alturas entre 1500 y 5000 m; estas capas deberían estar confinadas entre estratos estables y la temperatura potencial presenta además un cambio brusco en la cima de la capa. Se demuestra con el estudio de algunos casos concretos que es posible identificar en los perfiles de radiosondeo las alturas asociadas al transporte de polvo.