Evaluación de la variabilidad temporal de la estructura termodinámica de la atmósfera y su influencia en las concentraciones de material particulado dentro del Valle de Aburrá

Abstract

En el Valle de Aburrá, ubicado en los Andes centrales de Colombia, la interacción entre los factores meteorológicos y antrópicos que modulan la concentración de contaminantes atmosféricos no es lineal. Medellín, ubicada en el valle, ha experimentado episodios críticos de calidad del aire, con concentraciones medias diarias de material particulado fino (PM2.5) que han alcanzado hasta 118 ug/m3, más de tres veces la regulación nacional. La evidencia sugiere que uno de los factores más importantes que afectan la contaminación del aire en el valle es el forzamiento radiativo que modifica la estructura termodinámica local en la vertical, controlando las condiciones de estabilidad atmosférica. Este trabajo se centra en el estudio de la variabilidad temporal de la estructura termodinámica de la atmósfera en relación con la calidad del aire, utilizando información de la red de monitoreo de la calidad del aire metropolitana, datos meteorológicos in situ y campañas de radiosondeos, datos locales de un radiómetro de microondas (MWR), datos satelitales del GOES-R, AIRS y simulaciones del WRF. La evidencia sugiere que el comportamiento de los contaminantes en el valle se ve afectado tanto por la mateorología como por las condiciones climáticas, en diferentes escalas temporales y espaciales. El PM2.5, por ejemplo, exhibe un ciclo diurno bimodal con máximas concentraciones en las horas de la mañana y un pico menor en la noche. Este comportamiento está determinado principalmente por las emisiones locales y la evolución de la estabilidad atmosférica según lo revelado por diferentes índices termodinámicos, incluidos CINE, CAPE y, en particular, gradientes verticales de temperatura potencial en la baja tropósfera. La estructura termodinámica local también se utiliza para explicar el ciclo anual de PM2.5, especialmente en marzo, que ha sido identificado como un mes crítico en relación con la calidad del aire, al ser susceptibles a condiciones de estabilidad casi-permanentes. Las simulaciones de WRF capturan razonablemente bien la evolución de la estabilidad atmosférica dentro del valle (ciclos diurnos). Los datos satelitales muestran evidencia de un forzamiento global y regional que modula la estabilidad atmosférica local, incluido un papel esencial de la migración de la ZCIT y los cambios asociados en la nubosidad y precipitación, y anomalías en la circulación zonal global como respuesta a las diferentes fases de ENSO. La relación entre la concentración de contaminantes y la estabilidad atmosférica se ha utilizado para la toma de decisiones ambientales durante episodios críticos de calidad del aire al limitar las emisiones de contaminantes.

Abstract: In the Aburrá Valley, located in the central Colombian Andes, the interaction between meteorological and anthropic factors modulating atmospheric pollutant concentration is non-linear. Medellín, settled within the valley, has experienced critical air quality episodes, with mean daily concentrations of fine particulate matter (PM2.5) reaching 118 ug/m3, more than three times the national regulation. Evidence suggests that one of the crucial factors affecting air pollution is the radiative forcing that modifies the local thermodynamic vertical structure, hence controlling the atmospheric stability conditions. This work focuses on studying the temporal variability of the thermodynamic structure of the atmosphere in relation to air quality, using information from the metropolitan air quality monitoring network, in-situ meteorological data and radiosonde campaigns, local data from a Microwave Radiometer (MWR), data from GOES-R, AIRS, and WRF simulations. The evidence suggests the behavior of pollutants in the valley is affected both by climate and weather conditions, in different temporal and spatial scales. PM2.5, for example, exhibits a bimodal diurnal cycle with maximum concentrations in the morning hours and a smaller peak at night. This behavior is mainly determined by the local emissions and the evolution of atmospheric stability as revealed by different thermodynamic indices including CINE, CAPE, and in particular, lower troposphere potential temperature vertical gradients. The local thermodynamic structure is also used to explain the annual cycle of PM2.5, focusing on the critical periods during 2016 to 2018, especially in March which has been identified as a critical month regarding air quality. WRF simulations capture reasonably well the evolution of atmospheric stability within the valley. Satellite data show evidence of global and regional forcing modulating local atmospheric stability, including an essential role of the ITCZ migration and the associated changes in cloudiness and precipitation, and anomalies in the global zonal circulation as a response to the different ENSO phases. The relationship between pollutant concentration and atmospheric stability has been used for environmental decision making during critical air quality episodes by limiting pollutant emissions