Assesing variations in urban air quality when introducing on-road traffic management strategies by means of high-resolution modelling: application to Barcelona and Madrid urban areas

Abstract

La contaminación del aire urbano tiene efectos negativos en la salud humana, los ecosistemas y se asocia con el transporte de contaminantes a larga distancia. La región del sur del Mediterráneo y en concreto la Península Ibérica se ven sometidos frecuentemente a episodios de contaminación fotoquímica. Los niveles de O3 troposférico y, en zonas urbanas, las concentraciones de NO2 y material particulado, superan frecuentemente los niveles establecidos por la legislación europea.
 El tráfico rodado constituye la mayor fuente de emisiones antropogénicas en el entorno urbano. Actualmente, se están ensayando distintas alternativas para reducir su contribución. El pronóstico cuantitativo de sus efectos es fundamental y proporciona la base para la toma de decisiones. La herramienta más adecuada para llevar a cabo este tipo de evaluaciones es la modelización atmosférica. 
 Esta tesis propone el uso del modelo mesoescalar WRF-ARW/HERMES/CMAQ con alta resolución para pronosticar el efecto de distintas estrategias de reducción de emisiones de tráfico. Se centra en las dos mayores ciudades de España: Barcelona y Madrid, representativas de un entorno costero y un entorno continental. Como caso de estudio se ha seleccionado el 17 y 18 de Junio de 2004, que se corresponde simultáneamente con altos niveles de contaminación y con un patrón de circulación de tráfico habitual (días laborables)
 Se han seleccionado distintas estrategias realizables a corto plazo, que incluyen: el uso de combustibles alternativos: como gas natural o biodiesel, la introducción de nuevas tecnologías en vehículos, como el uso de vehículos híbridos, o sistemas de planificación urbana, como la introducción de un límite de velocidad. Se han evaluado en términos de cambio de emisiones, consumo de combustible y calidad del aire, no sólo en las zonas urbanas si no a escala regional (en el Noreste y Centro de la Península Ibérica)
 Los efectos de dichas estrategias dependen de la zona de aplicación. Los factores principales que condicionan dichas diferencias son: (1) la composición específica de la flota, teniendo la de Barcelona mayor número de vehículos pesados diesel y menor número de turismos que la de Madrid, (2) el peso de los distintos sectores de actividad en el balance de emisiones total, que en Barcelona y el noreste peninsular refleja una mayor actividad industrial frente a Madrid y el centro de la Península, (3) las distintas contribuciones de los procesos atmosféricos a la concentración final de contaminantes, la cuantificación de dichos procesos permite definir patrones de circulación característicos de zonas costeras y con una orografía muy compleja en el área de Barcelona, mientras que en Madrid, el comportamiento es más simple, (4) el régimen de sensibilidad química, que es diferente en ambas ciudades, determina la respuesta del O3 troposférico a la disminución de emisiones de NOx.
 El efecto de las estrategias estudiadas es positivo en términos de concentración de NO2, SO2 y PM10, siendo éstas menores que en el escenario base (sin cambios). Sin embargo, el alcance depende en gran medida de las flotas específicas afectadas y del área urbana que se considere. La introducción de vehículos a gas natural constituye una medida eficaz para reducir los niveles de SO2 y PM10 en las ciudades. El uso de biodiesel B20 disminuye fundamentalmente la concentración de SO2, aunque puede conllevar un ligero incremento de concentración de NO2. El uso de vehículos híbridos reduce fundamentalmente las emisiones de NOx, lo que produce una disminución de los niveles de NO2 urbanos. En Madrid este hecho tiene efectos positivos en la concentración de O3 local, sin embargo en Barcelona la disminución de emisiones de NOx supone un incremento del O3 local en todos los casos. 
 La limitación de velocidad a 80 km h-1 en el área de Barcelona reduce los niveles de NO2 y PM10, sobre todo en las zonas directamente afectadas por la medida. La introducción en el modelo de velocidades de circulación horarias, en lugar de la velocidad constante previamente considerada, ha permitido determinar estos cambios en calidad del aire de manera más precisa, teniendo en cuenta patrones de circulación reales y el efecto de la congestión.
 En general las estrategias seleccionadas tienen efectos positivos en zonas a sotavento de las ciudades, incluso en el caso del O3. 
 La aplicación de modelización atmosférica con alta resolución es una herramienta útil para determinar cuantitativamente los efectos de estrategias de reducción de emisiones de tráfico. Los inventarios de emisiones detallados y la disponibilidad de factores de emisión para nuevas tecnologías o combustibles alternativos son un factor clave para este tipo de desarrollos. The urban air pollution affects human health, causes damage to ecosystems and transboundary air pollution. The southern Mediterranean region and specifically the Iberian Peninsula are commonly affected by highly polluted episodes. The high O3 levels, and specifically the NO2 and PM concentrations in urban areas, are of special concern, frequently exceeding the European air quality targets. On road traffic is the main source of anthropogenic emissions in the urban environment. Different strategies addressed to reduce this contribution are being currently implemented and tested. The quantitative assessment of their effects in advance is fundamental to help decision makers. Air quality modelling is the most suitable tool to perform this kind of evaluations. 
 This PhD Thesis proposes the use of the mesoscalar WRF-ARW/HERMES/CMAQ modelling system with high resolution to test in advance such strategies for on-road traffic emissions abatement. It focuses on the two most populated urban areas of Spain, Barcelona and Madrid, which constitute a typically coastal and continental environment. The 17-18 June, 2004 is chosen as the study case. It fits in a poor air quality situation in both areas but also in an usual traffic circulation pattern (working days). Several feasible short-term strategies are selected and implemented in the emission model in the most realistic way as possible. They include: use of alternative fuels, such as natural gas or biodiesel, introduction of new technologies, such as hybrid electric vehicles, and urban management schemes, such as speed circulation limit. They are evaluated in terms of emissions, fuel consumption and air quality changes in the urban areas and at a regional scale, over the North-eastern and Central Iberian Peninsula.
 The effects of these strategies depend on the study areas. The factors that condition these differences are mainly: (1) the specific vehicle fleet composition, having Barcelona a larger proportion of diesel and commercial vehicles and lower quantity of passenger cars than Madrid; (2) the different contributions of the activity sectors to anthropogenic emissions, which in Barcelona and the North-eastern Iberian Peninsula reflect a heavier industrial activity against Madrid and the Central Iberian Peninsula region; (3) the different contributions of atmospheric processes leading to the concentration of pollutants; their quantification leads to the observance of characteristic transport patterns of a coastal area and very complex terrains in Barcelona, and a much simpler behaviour in Madrid, a typically continental area; (4) the chemical sensitivity regime also differs, which particularly affects the O3 response to NOx abatement strategies. 
 The effect of all the tested strategies in urban NO2, SO2 and PM10 concentrations is positive, being lower than in the base case. Nevertheless the extent of this effect largely depends on the affected fleets and on the urban area of application. The introduction of natural gas vehicles proved to be specifically effective in reducing SO2 and PM10 concentrations in Barcelona and Madrid areas. The introduction of biodiesel as a fuel would slightly affect the urban air quality levels, improving mainly the SO2 levels. The use of hybrid cars affects the NOx emissions considerably, reducing NO2 urban levels. Moreover in Madrid it causes a noticeable reduction in the local O3 concentrations. The Barcelona photochemical regime involves local O3 concentrations increase when reducing NOx emissions. 
 The introduction of an 80 km h-1 speed limit in the Barcelona area reduces NO2 and PM10 levels, specifically in the zones affected by the measure. The inclusion in the model of hourly speed data from measurement campaigns instead of the previously constant speed considered, allowed assessing the gains of such a measure in a more realistic manner, taking into account real circulation patterns and the congestion effect.
 The effects of the selected strategies are always positive in downwind areas, even in terms of O3 concentration.
 The application of high resolution modelling proved to be a useful tool to quantitatively asses the effect of management strategies. The detailed emissions inventories and the availability of emission factors for new technology vehicles or alternative fuels are key factors to this kind of developments.