http://dx.doi.org/10.1590/S0102-77862012000400009
Evaluation of the meteorological conditions influence on the occurrence and maintenance of a multiday episode with high ozone concentrations over the metropolitan area of São Paulo
Vanessa Silveira Barreto CarvalhoI; Edmilson Dias de FreitasII; Caroline Rosario MazzoliII; Maria de Fátima AndradeII
IInstituto de Recursos Naturais, Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, MG, Brasil. vanessa.silveira@gmail.com
IIInstituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil. efreitas@model.iag.usp.br; carol@model.iag.usp.br; mftandra@model.iag.usp.br
Palavras-Chave: Poluição atmosférica, Problemas urbanos, SPM-BRAMS.
Keywords: Atmospheric Pollution, Urban Problems, SPM-BRAMS
Mais de 19 milhões de pessoas residem em trinta e nove municípios que compõem a Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). Na área urbana, com aproximadamente 8000 km2, circulam mais de 7 milhões de veículos. Estima-se que a frota veicular seja responsável por 97% das emissões de monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos (HC), 96% de óxidos de nitrogênio (NOX), 42% de dióxido de enxofre (SO2) e 40% de material particulado (PM) (CETESB, 2008).
As concentrações de ozônio (O3) monitoradas na RMSP, frequentemente, apresentam violações ao padrão nacional de qualidade do ar (PNQA) (Martins et al., 2004; Freitas et al., 2005; Martins e Andrade, 2008; Sánchez-Ccoyllo et al., 2006). De acordo com os relatórios anuais de qualidade do ar produzidos pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo - CETESB (CETESB, 2003; CETESB, 2008), o número médio de dias com ultrapassagens ao padrão de 1 hora (160 µg m-3) é superior a 68 dias por ano, considerando o período entre os anos de 1999 e 2007. Entre 2002 e 2006, foi registrada pela rede de monitoramento em operação na RMSP, uma diminuição no número de dias em que as concentrações de ozônio foram superiores ao PNQA. Contudo, em 2007 foi registrado novamente um aumento nesse número, que atingiu o valor mais alto desde 2004 (observar Tabela 1). O comportamento sazonal destas, ilustrado na Figura 1, revela a ocorrência de violações durante todo o ano, principalmente, do final do inverno até o início do outono (ago-abr). Os menores valores são registrados durante o inverno. Climatologicamente, o inverno é caracterizado como a estação seca, com ventos calmos e com atuação predominante de um sistema de alta pressão sobre o continente (Ulke e Andrade, 2001; Martins e Andrade, 2008; Sánchez-Ccoyllo et al., 2006).
A RMSP está localizada em um platô a aproximadamente 720 m acima do nível do mar e a 60 km de distância da costa do Atlântico Sul. A topografia da região é altamente complexa com a Serra da Mantiqueira a noroeste e com a presença da Serra do Mar a sul e sudeste (Silva Dias e Machado, 1997; Sánchez-Ccoyllo e Andrade, 2002; Freitas et al., 2005). Por conta desta configuração, as circulações de mesoescala possuem um importante papel no transporte de poluentes na região durante todo o ano (Silva Dias et al., 1995; Silva Dias e Machado, 1997).
Diversos estudos avaliaram a formação de ozônio na RMSP por meio da utilização de modelos numéricos (Andrade et al., 2004; Freitas et al., 2005; Martins et al., 2006; Martins e Andrade, 2008, Sánchez-Ccoyllo et al., 2006; Vivanco e Andrade, 2008). A influência de algumas parametrizações de turbulência e de variáveis meteorológicas nas concentrações de ozônio para episódios de curto período, simulados através do modelo CIT para a RMSP, foi discutida por Ulke e Andrade (2001) e Sánchez-Ccolyllo et al. (2006), respectivamente. Contudo, não há na literatura registro de estudos focando o papel das circulações de mesoescala durante a ocorrência de episódios prolongados com altas concentrações de ozônio na RMSP. No presente estudo, o modelo de mesoescala BRAMS, acoplado ao módulo fotoquímico simplificado (SPM, Simple Photochemical Module), foi utilizado para a análise da influência destas circulações na formação e manutenção de um episódio prolongado com altas concentrações de ozônio sobre a RMSP. Dessa forma, foram analisadas as condições meteorológicas prognosticadas pelo BRAMS, além das concentrações de ozônio e de seus precursores geradas por este. A avaliação da influência destas condições nos resultados de concentração de ozônio obtidos com o SPM foi o principal alvo deste estudo.
2.1 Período de estudo
O período considerado por este estudo, entre os dias 24 de fevereiro e 05 de março de 2003, apresentou, durante vários dias consecutivos e em várias estações de qualidade de ar que compõem a rede de monitoramento da CETESB, níveis de concentração de ozônio superiores ao PNQA estabelecido para o ozônio, igual a 160 µgm-3 (CETESB, 2008). As máximas concentrações diárias de ozônio registradas em todas as estações de qualidade do ar disponíveis na RMSP nos períodos de interesse podem ser observadas na Tabela 2. A partir dessa, é possível verificar a ocorrência de valores bem acima do definido pela legislação vigente, como seguro para a saúde e o bem estar da população.
Durante esse período, toda a região sudeste do Brasil esteve sobre a influência da alta subtropical do Atlântico Sul, deslocada para oeste de sua posição climatológica. A atuação desse sistema também foi verificada por Abreu (1985) em outros episódios com altas concentrações de poluentes registrados em São Paulo. A predominância dos ventos em escala sinótica durante o período foi de sudeste, mas com a ocorrência de ventos de NE, principalmente, entre os dias 28 de fevereiro e 03 de março. Associado a este sistema, além de condições com ventos fracos, foram observadas condições de céu claro ou com pouca nebulosidade, alta incidência de radiação solar e ausência de precipitação até o dia 05 de março, quando uma frente fria atingiu o Estado de São Paulo. Os dados provenientes do METAR (www.redemet.aer.mil.br), produzido no aeroporto de Guarulhos (Figura 2), confirmaram a predominância de condições de céu-claro ou pouca cobertura de nuvens na maior parte do período. No período diurno, entre 06 e 18 Hora Local, o número de horas em que a cobertura de nuvens foi de no máximo 2/8 foi igual a 67%. Vale ressaltar que a atuação de sistemas de alta pressão, geralmente associados a condições de céu-claro, altas temperaturas e ventos fracos, foi relatada por diversos estudos como favorável à ocorrência de altos índices de ozônio na superfície (Comrie e Yarnal, 1992; Comrie, 1996; Sillman, 1999; Vukovich et al., 1999; Diem e Comrie, 2001; Jenkin et al., 2002; Galvez, 2007).
2.2 Descrição e configuração do modelo
O modelo atmosférico BRAMS é a versão brasileira do Regional Atmospheric Modeling System (RAMS, Cotton et al., 2003), desenvolvido inicialmente pela Universidade do Estado do Colorado - EUA e pela Mission Research Coorporation/Aster Inc. (MRC/*ASTER) para simular circulações atmosféricas que envolvem desde a micro até a grande escala, sendo a modelagem dos fenômenos de mesoescala sua mais freqüente aplicação. Além de representar fisicamente os processos radiativos, transportes convectivos associados às nuvens e à turbulência seca, o modelo revela-se adequado para a avaliação dos efeitos de fatores locais, tais como a topografia, a presença de corpos d'água de grandes dimensões e áreas urbanas, aspectos de interesse do presente estudo. O processo de formação de ozônio também é considerado pelo modelo através do Módulo Fotoquímico Simplificado - SPM. O acoplamento e a validação deste módulo, que contém apenas 15 reações e foi desenvolvido visando a realização de previsões das concentrações de ozônio para a RMSP em caráter operacional, é descrito por Freitas et al. (2005).
As condições iniciais e de fronteira foram obtidas a partir das análises do Global Forecast System (GFS) do National Centers for Environmental Prediction (NCEP), disponíveis em intervalos de 6 horas. As simulações foram iniciadas 24 horas antes do período de interesse, sendo o primeiro dia descartado das análises para minimizar o efeito de spin-up. Duas grades aninhadas, centradas em 23,55° S e 46,47° W, com espaçamento horizontal de grade de 16 e 4 km, respectivamente, e 33 níveis verticais foram considerados na simulação.
Em relação aos dados de emissão, para a RMSP, apenas um valor anual total de emissão veicular e industrial é disponibilizado pela CETESB. São fornecidos por este inventário emissões de CO, NOX, PM10, SO2 e HC. Conforme apresentado em Freitas et al. (2005), a distribuição espacial das emissões sobre a RMSP é realizada com base no tipo de ocupação urbana, considerando duas áreas principais, definidas em Freitas (2003). A primeira, localizada sobre o centro da RMSP, é responsável por 70% das emissões veiculares e a segunda, uma área menos urbanizada (em relação à primeira), responsável pelos 30% restantes. No caso das emissões industriais, o contrário é considerado, uma vez que a maior contribuição de fontes fixas, tais como indústrias, comércio, queima de resíduos, ocorre nas áreas que circundam o centro empresarial.
Para o período simulado, o modelo BRAMS apresentou resultados coerentes com aqueles observados, com predominância de condições de céu claro. No final da tarde e início da noite do dia 03 de março, os resultados indicaram a presença de nebulosidade sobre todo o leste da RMSP com ocorrência de precipitação sobre o litoral do estado (Figura 3a). No dia 04 de março, como ilustrado na Figura 3b, durante a tarde, também foi verificada precipitação e nebulosidade, principalmente, sobre o sudoeste e norte do domínio. A partir da tarde do dia 05 também houve um aumento da fração de cobertura de nuvens em praticamente toda a grade considerada. Esse resultado apresenta coerência com o registrado no METAR do aeroporto de Guarulhos como pode ser observado na Figura 4.
As observações meteorológicas produzidas através do METAR também revelaram a ocorrência de altas temperaturas durante todo o período. A média das máximas ficou em torno de 32 ºC. A velocidade média dos ventos registrados durante o período no aeroporto de Guarulhos revelou valores ligeiramente acima dos 2 m.s-1. Durante todo o período simulado, o modelo também apresentou resultados condizentes com as observações, como apresentados em Carvalho (2010). Foram identificados altos valores de temperatura e baixa umidade relativa durante o final da manhã e todas as tardes (Figura 5a), além de ventos fracos, principalmente durante as madrugadas e as manhãs (Figura 5b).
O maior número de estações com registros superiores ao limite estabelecido pelo CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente) ocorreu nos dias 24 e 28 de fevereiro e 01 e 04 de março. A concentração média de ozônio registrada na RMSP, durante esse período, pode ser observada na Figura 6. Os valores apresentados nesta foram obtidos a partir dos dados de onze (11) estações de monitoramento alocadas na região. Na maior parte deste período foram identificadas características similares, em que o padrão sinótico de grande escala com ventos fracos favoreceu a propagação de circulações de mesoescala. Em geral, foram verificados ventos fracos, principalmente, durante a madrugada e manhã com intensificação no início da tarde dos ventos de SE, associados à penetração da brisa marítima. O horário em que a frente de brisa atingiu o centro da grade variou um pouco de acordo com o dia. Vale ressaltar que o centro da grade (ponto com latitude 23,6º S e longitude 46,4º W) está localizado a 60 km da linha de costa. O horário no qual a brisa marítima atingiu esse ponto foi determinado através do aumento da velocidade dos ventos e do aumento da razão de mistura. A atuação da brisa marítima auxiliou no transporte das concentrações de ozônio e de seus precursores como será apresentado adiante.
No dia 24, por exemplo, maiores níveis de concentração de ozônio começaram a ser observados na RMSP às 10 horas da manhã (Figura 6). A maior intensidade da pluma foi simulada pelo modelo entre meio dia e uma hora da tarde. Por cinco horas após o seu início, a pluma não se deslocou, mantendo-se centrada, principalmente, sobre parte dos municípios de São Paulo e Osasco. Durante esse período, os ventos simulados sobre a região foram bem fracos. Apenas às 16 horas, com a entrada da brisa marítima, a pluma começa a se deslocar em direção ao noroeste da RMSP. A evolução do campo de vento e das concentrações de ozônio simuladas a partir das 10 horas (com intervalo de 2 horas) pode ser observada na Figura 7.
Outro aspecto interessante verificado nos resultados do modelo referentes ao dia 24 de fevereiro foi a amplitude dos picos de concentração de NOX, em média menor do que nos demais dias do período. Os valores máximos simulados ficaram em torno de 50 µg.m-3, durante a manhã, e 40 µg.m-3, no período noturno, como pode ser observado na Figura 8. Em geral, considerando todo o período, o contrário foi identificado na maioria dos dias simulados, com maiores valores durante a noite. Esse comportamento é condizente com aquele registrado pela rede de monitoramento da CETESB.
Em relação às variáveis meteorológicas simuladas pelo modelo, além das condições de ventos calmos, também foram simulados, durante o final da manhã e parte da tarde do dia 24 de fevereiro, altos valores de temperatura do ar e de radiação de onda curta incidente (superiores a 30 ºC e 900 W.m-2, respectivamente) e baixos valores de umidade relativa (inferiores a 40% na maior parte do domínio). A altura da camada limite planetária (CLP) variou entre 250 m e 2250 m durante o dia. Durante a madrugada e a manhã do dia 24, boa parte da grade apresentou valores inferiores a 500 m. No final da manhã, a altura média da CLP na RMSP passou a aumentar, ficando em torno de 1000 m. Ao final da tarde, os valores eram superiores a 1500 m em todo o domínio, exceto na faixa litorânea, onde foram simulados valores inferiores a 1000 m.
No dia 25 de fevereiro, um grande núcleo com concentrações de ozônio, que caracterizam violações ao PNQA, foi verificado sobre o centro da RMSP entre 15 e 19 Z (observar Figura 9a). Apenas após as 20 Z, as concentrações começaram a diminuir e a pluma foi deslocada para NW com a entrada da frente de brisa. Nos dias 26 e 27, as concentrações de O3 simuladas pelo modelo foram menores e o centro da pluma esteve ligeiramente deslocado para noroeste (exemplo na Figura 9b). Uma característica comum nestes três dias foi a não dissipação por completo da pluma de NOX, que permaneceu durante todo o dia sobre o centro da grade. Durante a madrugada, também foi observado na simulação que a pluma persistiu, contudo, com menor intensidade, sobre a região.
Durante os dias 28 de fevereiro e 01 de março características bem similares foram verificadas. Nesses dois dias a pluma de concentração de ozônio começou a surgir às 11 Z, com máxima intensidade às 17 Z, quando maiores valores foram verificados em boa parte da RMSP e em parte do litoral sobre os municípios de Cubatão e Santos (observar Figura 10). A partir desse horário, o deslocamento da pluma para noroeste, impulsionado pela entrada da brisa marítima, foi rápido.
Outro ponto em comum foi o acúmulo de NOX simulado durante a madrugada. Em geral, a pluma de NOX se dissipa após o pico noturno. Contudo, tanto no dia 28 quanto no dia 01, durante a madrugada, a pluma não se dissipou e manteve-se sobre o centro-oeste da RMSP. Durante a manhã, com o aumento da emissão veicular, os níveis de NOX ultrapassam os 200 µg.m-3, como pode ser visto na Figura 11. De modo similar ao ocorrido no dia 24 de fevereiro, as concentrações dos óxidos de nitrogênio foram superiores durante o dia.
As condições meteorológicas simuladas pelo modelo para os dias 28 de fevereiro e 01 de março revelaram a ausência de nuvens e de precipitação em todo o domínio. A temperatura esteve acima dos 30 ºC e os valores de UR foram inferiores a 30% durante a tarde em ambos os dias. Em toda a RMSP os valores de altura da CLP (Figura 12) foram inferiores a 300 m durante toda a madrugada e início da manhã, o que pode ter contribuído para o acúmulo dos NOX, assim como, de outros precursores. No final da manhã, conforme o esperado, a altura da CLP começa a aumentar, atingindo valores superiores a 2000 m em algumas áreas.
Durante a noite do dia 28 e madrugada do dia 01 também foi simulada a ocorrência de brisa terrestre, não muito intensa, em parte do litoral paulista. A partir das 21 horas (Hora Local), houve o enfraquecimento dos ventos sobre a linha de costa. No dia 28 de fevereiro, duas horas mais tarde, ocorreu a inversão dos ventos em alguns pontos do litoral (Figura 13), apesar dos ventos utilizados para a inicialização do modelo serem de SE. Assim como o identificado em Freitas (2003), não é possível observar a brisa terrestre sobre toda a faixa litorânea.
Nos dias 02 e 03 de março de 2003, os ventos de escala sinótica se intensificam ligeiramente e as concentrações de O3 simuladas pelo SPM-BRAMS, em geral, foram mais baixas do que as verificadas nos dias anteriores. Um aspecto interessante a ser destacado no dia 03 de março é a advecção da pluma de ozônio para sudeste durante parte da tarde. Apenas após as 18 Z, o núcleo com concentrações mais intensas passou a ser deslocado para noroeste, acompanhando a frente de brisa.
No dia 04 de março também foi identificada nas simulações a ocorrência de ventos ligeiramente mais intensos durante a madrugada e a manhã. A partir das 14 horas, também foi detectada a intensificação dos ventos associados com o aumento da atividade convectiva na região. Dois núcleos com concentrações de O3 e de NOX mais intensas, sobre o centro da RMSP e sobre parte do litoral, foram verificados (observar Figura 14). No caso das concentrações de NOX foi verificado que o núcleo permaneceu durante todo o dia centrado sobre a RMSP. Apenas a partir do final da noite, após o segundo pico de emissão de poluentes associado ao tráfego veicular, a pluma passou a ser transportada para NW.
A ocorrência de precipitação, por conta da aproximação de um sistema frontal, ainda que fraca, parece ter alterado a distribuição das concentrações de ozônio, ora mantendo os pontos de máxima intensidade no centro da grade (entre as células convectivas como pode ser observado na Figura 15a), ora os deslocando para fora destas (Figura 15b). Contudo, é importante ressaltar que o modelo não registrou queda nos valores de concentração de ozônio. Vale também destacar que, apesar de não representar o processo de deposição de poluentes de forma explicita, o modelo, em geral, consegue simular a redução nas concentrações de precursores e do próprio ozônio através da representação de fenômenos associados à turbulência e a dispersão destes poluentes.
No dia 05 de março, a maioria das estações da CETESB registrou queda nas concentrações de ozônio. Apenas as estações Ibirapuera e Santo Amaro registraram índices de qualidade do ar considerados inadequados. Observando os resultados da simulação é possível inferir que essa diminuição das concentrações de ozônio deve estar relacionada com o aumento da nebulosidade e conseqüente diminuição da radiação solar incidente, além, é claro, da ocorrência de precipitação que atuou, principalmente, na remoção de alguns precursores. O modelo SPM-BRAMS também registrou diminuição nas concentrações dos poluentes primários e secundários durante o dia 05. Avaliando a evolução das concentrações de NOX foi possível detectar um leve aumento das concentrações no período da manhã (associado à intensificação do tráfego de veículos). Contudo, a pluma foi menos intensa do que normalmente seria em um dia de semana. O núcleo de concentrações dos óxidos de nitrogênio mais elevados permaneceu centrado sobre o município de São Paulo até às 20 horas. As máximas concentrações, inferiores a 80 µg m-3, foram simuladas mais cedo que o normalmente verificado, às 11 da manhã.
O presente estudo avaliou a influência das condições meteorológicas na ocorrência e manutenção de um episódio de alta concentração de ozônio por meio de simulações numéricas com o modelo SPM-BRAMS. Durante dez dias consecutivos, entre 24 de fevereiro e 05 de março de 2005, valores acima do estabelecido como PNQA foram registradas em diversas estações de qualidade do ar na RMSP. Os resultados da simulação com o modelo SPM-BRAMS indicaram que a ocorrência de ventos fracos durante no período noturno e durante a manhã contribuíram para o acúmulo de precursores sobre a RMSP. Os ventos fracos associados ao fluxo de grande escala favoreceram a atuação de circulações de mesoescala na região. A entrada da brisa marítima durante a tarde atuou, durante a maior parte do período, no transporte da pluma de concentração de ozônio para noroeste, reduzindo, desta maneira, as concentrações sobre a RMSP em horários que estas poderiam atingir valores ainda maiores.
O modelo também simulou de maneira adequada para os dias com maior número de estações com violações ao PNQA condições de céu-claro, altos valores de temperatura do ar, de incidência de radiação solar de onda curta e baixos índices de umidade relativa. Os resultados simulados pelo modelo indicaram uma forte influência das condições meteorológicas no processo de formação e dispersão das concentrações de ozônio na RMSP, durante esse episódio com altas concentrações de ozônio. Os resultados também mostram a importância da utilização de modelos numéricos mais complexos, que integram equações e parametrizações relacionadas puramente aos processos atmosféricos, emissões de poluentes, reações químicas e outros processos relacionados à atividade humana, simultaneamente. Para a representação mais precisa das concentrações de ozônio é fundamental que as condições atmosféricas sejam bem representadas, o que foi relativamente observado durante as simulações realizadas.
Os autores agradecem à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP, pela bolsa de estudos da primeira autora (processo nº 06/59546-9), e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq (processo nº 477310/2008-7 - Edital Universal, pelo auxílio financeiro concedido ao último autor).
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