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SERVICIO NACIONAL DE METEOROLOGIA E HIDROLOGIA DEL PERU
4 de Julio de 2016
Gestión del Monitoreo de la Calidad del Aire: Gases y Material Particulado en Lima
ODON ROMAN SANCHEZ CCOYLLO
“Normas Técnicas para la Gestión Ambiental: SCTN 19.3 Métodos de Monitoreo y Medición de Estándares de Calidad Ambiental”
BOSQUEJO
1)Objetivo
2)Metodología
3)Resultados de modelos receptor y dispersión
1) OBJETIVO
Identificar las fuentes de aerosolesatmosféricos en la ciudad de Lima,utilizando el modelo receptor deAnálisis Factorial
2) METODOLOGIA
El modelo receptor
El modelo receptor es modelo estadístico, que inicia partir de
los datos medidos de las concentraciones de los aerosoles
realizadas en el receptor, para identificar las fuentes de los
aerosoles (Poissant et al., 1996)
Modelos receptores
1) El Modelo de Balance Químico de Masas
2) Métodos Multivariados
a) Análisis de Factores e Análisis de Componentes Principales
b) Análisis de Clusters
Medida de aerosoles
MiniVol Inlet < 10 micrómetros
2 filtros en serie
Campaña internacional de medida de aerosol en Lima, 19 de junio de 2010
Monitoring sites in Lima Peru (SENAMHI, 2016)
Air quality station in Ate Vitarte, Lima
Analizadores automáticos en las estaciones de monitoreo de SENAMHI en Lima
Ozono (O3)dioxido de Azufre (SO2)Oxidos de nitrogeno (NOx)Monoxido de carbono
Estaciones de MonitoreoAteSanta AnitaCampo de MarteSan BorjaVilla Maria del TriunfoPuente PiedraCarabaylloSan Martín de PorresHuachipaSan Juan de Lurigancho
Monitor Continuo de Partículas PM10 implementado por SENAMHITEOM 1405
Costo de inversión 800 mil soles y OyM es de 200 mil soles al año
Monitor Continuo de Partículas PM2.5 implementado por SENAMHIModelo 5014
Datos Horarios Vía Online de la Estación de Ate http://www.peruclima.pe/?p=calidad-de-aire
Fecha Hora NO 2ppb SO 2ppbPM 10µg / m 3
PM 2,5µg / m 3 O 3ppb COppm
02/07/2016 14:00 9.98 1.15 174.27 30.45 24.71 0.65
02/07/2016 13:00 11.71 0.97 184.38 37.71 23.31 0.68
02/07/2016 12:00 13.13 1.11 194.33 51.54 18.98 0.74
Villa María del Triunfo
Variación diaria de PM10 en 2015 en Puente Piedra (PPD)
Fuente SENAMHI, 2016
0
50
100
150
200
250
300
350
1 8 152229 5 121926 5 121926 2 9 162330 7 142128 4 111825 2 9 162330 6 132027 3 101724 1 8 152229 5 121926 3 10172431
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Co
nc
en
tra
cio
n (
µg
/m³)
PPD ECA 24h <> 150 µg/m³
Variación diaria de PM10 en 2015 en Ate
0
25
50
75
100
125
ATE SBJ CDM STA VMT HCH SJL SMP CRB PPD
Co
nc
en
tra
cio
n (
µg
/m³)
2011 2012 2013 2014 2015 ECA Anual <> 50 µg/m³
PM10 anual en Lima
Promedio diario de concentración de material particulado
PM2.5 (µg/m3) en 2015
0
10
20
30
40
50
60
70
Dia 7
14
21
28 4
11
18
25 4
11
18
25 1 8
15
22
29 6
13
20
27 3
10
17
24 1 8
15
22
29 5
12
19
26 2 9
16
23
30 7
14
21
28 4
11
18
25 2 9
16
23
30
MES
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Co
ncen
tració
n d
iari
a d
e P
M2.5
ATE SBJ CDM STA VMT HCH SJL SMP CRB PPD ECA 24h <> 25 µg/m³
Variación diaria de PM2.5 en 2015 en Puente Piedra (PPD)
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
1 101928 6 1524 5 1423 1 101928 7 1625 3 122130 9 1827 5 1423 1 101928 7 1625 3 122130 9 1827
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Co
nc
en
tra
cio
n (
µg
/m³)
PPD
ECA 24h <> 25 µg/m³
Variación diaria de PM2.5 en 2015 en Ate
5
15
25
35
45
55
65
75
1 9 1725 2 101826 6 142230 7 1523 1 9 1725 2 101826 4 122028 5 132129 6 142230 8 1624 1 9 1725 3 111927
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Co
nce
ntr
acio
n (
µg/
m³)
ATE ECA 24h <> 25 µg/m³
Variación diaria de PM2.5 en 2015 en Santa Anita
5
15
25
35
45
55
65
75
1 9 1725 2 101826 6 142230 7 1523 1 9 1725 2 101826 4 122028 5 132129 6 142230 8 1624 1 9 1725 3 111927
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Co
nce
ntr
acio
n (
µg/
m³)
STA ECA 24h <> 25 µg/m³
Variación diaria de PM2.5 en 2015 en San Juan de Lurigancho
5
15
25
35
45
55
65
1 9 1725 2 101826 6 142230 7 1523 1 9 1725 2 101826 4 122028 5 132129 6 142230 8 1624 1 9 1725 3 111927
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Co
nce
ntr
acio
n (
µg/
m³)
SJL ECA 24h <> 25 µg/m³
Calidad del aire en Lima el día 04 de julio de 2016 (http://www.peruclima.pe/?p=calidad-de-aire)
Variación horaria de PM2.5 en 2015 en Lima
Hourly mean of particle pollution PM10 (in µg/m3) measuredat Ate SENAMHI monitoring station. New year 2011 and newyear 2012
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
12/31/2011 01/01/2012
PM
10
Co
cen
trat
ion
year 2012
year 2011
The HIVOL sampler with inlet for PM10, urban area, in Lima, February 5, 2013
Filter on february 5, 2013, urban area, in Lima
Filtro de VMT de 6 de febrero de 2013
Análisis de Factores
Medición
Nang/m³
Cl (ng/m³)
Al (ng/m³)
Si (ng/m³)
S(ng/m³)
19.09.2013 (1) 2286.8 1382.9 1066.0 30.6 1880.0
20.09.2013 (2) 2092.3 1190.7 883.8 25.8 2280.0
21.09.2013 (3) 2563.4 1147.5 926.2 28.0 2440.0
S
Na
ClAl
Si
1 (medición)
3 (medición)
2 (medición)Si Na=f(Cl)
Si Al= f(Si)
Nuevo Vector
F1=f(Na, Cl)
F2=f(Al,Si)
F3=S
F1
F2
F3
MODELO DE ANALISIS FACTORIAL
Análisis Factorial (AF) puede seraplicada a un conjunto de variables(concentración de contaminantes), en elsentido de reducir la dimensión de estasvariables. Esto es, sustituir un conjuntogrande de variables correlacionados porun número menor de variablesindependientes llamadas factores
MODELO DE ANALISIS FACTORIAL
Para que los resultados seanestadísticamente significativos, es necesarioun número considerable de muestras. Henry(1991) sugiere, como condición mínima paraaplicación de AF, que sea satisfecha lasiguiente ecuaciónN= 30 +(n+3)/2N es el número total de muestrasn es el número de variables
EL MODELO DE ANÁLISIS FACTORIAL
jij
m
ppijpji
UdFaZ 1
Zji es la matriz de datos padronizados;
Fpi es la matriz de los factores p para la muestra i;
ajp es la matriz de los “component loadings”
djUji es la matriz de error residuais de la medida observada
Punto de
muestreoLugar
Fechas
Inicio Fin
1 VMT 25.01.2013 25.04.2013
2 Ate 26.01.2013 25.04.2013
VERANO 2013
En Villa María del Triunfo y Ate se muestrearonpartículas por un periodo de 23 horas (09 horas a 08horas del día siguiente), durante 90 días
Punto de
muestreoLugar
Fechas
Inicio Fin
1 VMT 19.09.2013 29.11.2013
2 Ate 19.09.2013 29.11.2013
PRIMAVERA 2013
En Villa María del Triunfo y Ate se muestrearonpartículas por un periodo de 23 horas (09 horas a 08horas del día siguiente), durante 90 días
Filtro de VMT de 6 de febrero de 2013
Análisis de metales
La determinación de la concentración demetales pesados en las muestras se realizóutilizando método de Plasma AcopladoInductivamente (ICP), donde se determinóla concentración de 31 elementos trazastales como Cu, Cd, Mn, Zn, Pb, Fe y Cr, Ca,Al, Mg, Si, etc.
Dirección General de Calidad del MINAM
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Ag Al
As B Ba
Be
Ca
Cd
Ce
Co Cr
Cu Fe Hg K Li
Mg
Mn
Mo
Na Ni P
Pb Sb Se Si Sn Sr Ti Tl V Zn
Co
nce
ntr
atio
n (
µg
/m³)
Elements
summer at ATE Spring at ATE
Trace Metals at Ate
0
5
10
15
20
25
30
Al
As B Ba
Be
Ca
Cd
Ce
Co Cr
Cu Fe Hg K Li
Mg
Mn
Mo
Na Ni P
Pb Sb Se Si Sn Sr Ti Tl V Zn
Co
nce
ntr
atio
n (
µg
/m³)
Elements
spring summer
Trace Metals at VMT
Variación mensual historica de PM10 (en µg/m³) de las Estaciones de Calidad del Airedel SENAMHI en Lima
0
50
100
150
200
250
Oct Dic Feb Abr Jun Ago Oct Dic Feb Abr Jun Ago Oct Dic Feb Abr Jun Ago Oct Dic Feb Abr Jun Ago Oct Dic Feb Abr Jun
2011 2012 2013 2014 2015
ATE SAN BORJA CAMPO DE MARTE SANTA ANITAVILLA MARIA HUACHIPA SAN JUAN DE LURIGANCHO SAN MARTIN DE PORRESCARABAYLLO PUENTE PIEDRA
VMT
VERANO 2013
Verano 2013 en VMT, diurno de 07 a 11 horas
Verano 2013 en VMT, vespertino de 12 a 18 horas
Verano 2013 en VMT, nocturno de 19 a 06 horas
Verano 2013 en VMT, de 1 a 24 horas
PRIMAVERA 2013
Primavera 2013 en VMT, diurno de 7 a 11 horas
Primavera 2013 en VMT, vespertino de 12 a 18 horas
Primavera 2013 en VMT, nocturno de 19 a 06 horas
Primavera 2013 en VMT, total de 1 a 24 horas
RESULTADOS DEL MODELO RECEPTOR
Variable Factor 1 Factor 2 Factor 3 Factor 4 Factor 5 Factor 6 h2
Al 0.88 0.32 0.30 0.10 0.03 0.03 0.99
As 0.28 0.66 0.41 0.15 -0.02 0.00 0.71
B 0.18 0.03 -0.08 0.92 -0.10 0.00 0.90
Ba 0.50 0.58 0.49 0.07 -0.10 0.00 0.85
Cd 0.28 0.80 0.21 0.14 0.15 -0.04 0.81
Ce 0.87 0.09 0.15 0.17 0.07 0.08 0.83
Co 0.82 0.12 0.15 -0.04 -0.34 -0.14 0.85
Cr -0.12 0.15 0.29 0.87 0.03 -0.03 0.88
Cu 0.19 0.85 0.19 0.18 0.19 0.00 0.86
Ca 0.93 0.13 -0.07 0.08 0.26 0.03 0.95
Fe 0.74 0.44 0.47 0.11 -0.06 0.02 0.98
K 0.88 0.19 -0.05 0.13 0.30 0.07 0.92
Mg 0.79 0.32 0.44 0.07 0.00 -0.01 0.93
Na 0.02 0.29 0.90 0.20 0.04 -0.05 0.93
MO 0.43 0.25 0.20 0.52 0.30 -0.09 0.65
Li 0.88 0.12 -0.02 -0.02 -0.15 -0.10 0.83
Mn 0.85 0.41 0.28 0.06 -0.01 0.04 0.97
Ni 0.22 0.71 0.05 0.01 -0.21 0.25 0.67
P 0.38 0.44 0.63 0.42 -0.22 0.06 0.96
Pb 0.26 0.66 0.50 0.11 -0.05 0.10 0.78
Si 0.53 0.38 0.36 -0.02 -0.38 0.21 0.74
Sn 0.25 0.43 0.50 0.56 -0.09 -0.02 0.82
Sr 0.91 0.24 0.21 0.05 0.04 0.07 0.93
Ti 0.88 0.31 0.26 0.17 0.10 0.03 0.98
V 0.53 0.62 0.48 0.06 -0.03 0.10 0.92
Zn 0.19 0.55 0.53 0.15 0.00 -0.48 0.87
CO3 0.92 0.17 -0.11 0.07 0.25 0.04 0.95
Cl 0.12 0.25 0.89 0.01 0.25 -0.03 0.93
NO3 0.06 0.16 -0.01 -0.03 0.02 0.93 0.89
SO4 0.47 0.02 0.24 -0.10 0.72 0.05 0.80
PM10 0.76 0.36 0.49 0.14 0.09 -0.01 0.98
Autovalor11.4 5.5 4.8 2.7 1.4 1.3
Variancia (%) 36.7 17.8 15.5 8.6 4.4 4.2 87.3
Las variables muestreadas en el período de verano en VMT, pesos de los factores de análisis de factorial con rotación VARIMAX y comunalidad (h2)
Periodo de verano en Villa María del Triunfo
Factor Elemento
traza
Fuente Identificada Participación de la fuente
(%)
F1 Al, Ca, Fe, Ti
K, Mn, Ce
Suelo
Industrial
38
F2 V, Ni
Cu, Pb, Cd
Aceite de óleo
combustible
Vehicular
9.3
F3 Na, Cl Aerosol Marino 23.9
F4 Cr, B 1.8
F5 SO4 Sulfato 19
F6 NO3 Nitrato 7.9
Suelo+industrial38%
vehicular9%
aerosol marino24%
Cr, B2%
sulfato19%
nitrato8%
verano de 2013 en VMT
Suelo+industrial vehicular aerosol marino Cr, B sulfato nitrato
Pesos de los factores de la Análisis de Factores y comunalidad (h2), medidos en primavera en VMT
Variable Factor 1 Factor 2 Factor 3 Factor 4 Factor 5 Factor 6 h2
Al 0.86 0.36 0.00 0.11 -0.06 0.00 0.89
Fe 0.89 0.39 -0.15 0.07 0.05 0.01 0.98
Na 0.77 0.24 -0.16 0.33 -0.04 0.09 0.79
Ca 0.92 0.09 -0.15 0.08 0.20 0.04 0.93
B -0.20 -0.11 0.89 -0.04 0.06 0.02 0.86
Ba -0.23 -0.01 0.88 -0.07 0.16 0.01 0.85
Cr -0.11 0.25 0.15 -0.84 -0.02 -0.28 0.89
Cu 0.35 0.68 0.00 0.08 0.25 0.03 0.66
K 0.86 0.41 -0.15 0.11 0.08 0.03 0.95
Mg 0.83 0.38 -0.15 0.10 0.04 -0.03 0.87
Mn 0.88 0.40 -0.17 0.05 0.06 0.01 0.98
Mo 0.81 0.36 -0.18 0.11 0.03 -0.06 0.84
Ni 0.52 0.62 -0.22 -0.10 -0.02 0.05 0.72
P 0.86 0.33 -0.27 0.02 0.01 0.05 0.93
Pb 0.56 0.65 0.02 0.07 0.09 0.09 0.75
Se 0.33 0.15 0.28 0.17 0.47 -0.25 0.52
Si 0.66 0.19 0.01 0.32 0.15 -0.18 0.62
Sn 0.28 0.38 0.05 0.73 0.00 -0.17 0.79
Sr 0.85 0.25 -0.10 0.13 0.31 0.00 0.91
Ti 0.83 0.43 -0.18 0.04 0.03 0.00 0.91
V 0.43 0.76 0.01 0.01 -0.10 -0.09 0.78
Zn 0.31 0.76 -0.06 0.03 0.03 0.09 0.69
PM10 0.90 0.28 0.06 -0.02 -0.04 -0.03 0.90
CO3 0.92 0.11 -0.14 0.12 0.25 0.00 0.94
CL -0.08 -0.01 0.38 -0.02 0.74 -0.08 0.70
NO3 0.02 0.10 0.02 0.09 -0.07 0.94 0.91
SO4 0.49 0.07 -0.37 -0.04 0.64 0.13 0.81
Autovalor 11.6 4.1 2.3 1.6 1.5 1.2
Variancia (%) 43.0 15.3 8.6 6.0 5.7 4.3 83
Periodo de primavera en Villa María del Triunfo
Factor Elemento traza Fuente Identificada Participación de la
fuente (%)
F1 Al, Ca, Fe, Ti
K, Mn
Suelo
Industrial
64.1
F2 V, Ni
Cu, Pb
Aceite de combustible
Vehicular
5.0
F3 B, Ba 5.4
F4 Sn 0.3
F5 SO4
Cl
Sulfato
Aerosol marino
1.7
F6 NO3 Nitrato 23.5
Suelo + industrial64%Aceite + vehicular
5%
B, Ba5%
sulfato2%
Nitrato24%
Primavera 2013 en VMT
Suelo + industrial Aceite + vehicular B, Ba sulfato Nitrato
Muestreo de COVs en Ate el día 3 de setiembre de 2015
Muestreo de COVs en Puente Piedra el día 20 de agosto de 2015
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00C
on
cen
trac
ión
(u
g/m
3)
PDRA 7 h
PDRA 12 h
PDRA 18 h
**********
**
***
*******
*********
******************
***
****************
*
*************
***
***
*********
**
*******
*******
********** **
*********** * ****
* ** **********
**********
EN
E
FE
B
MA
R
AB
R
MA
Y
JU
N
JU
L
AG
O
SE
T
OC
T
NO
V
DIC
200
500
1000
2000
5000
10000
20000
Co
ncen
tracio
n (
µg
/m³)
Monóxido de carbono en Ate en el año 2015 (Elaboración Raphael Aliaga)
Dióxido de nitrógeno (NO2) en Puente Piedra en el año 2015 (Elaboración Raphael Aliaga)
***
*
*********
**
**
*
***
**
****
****
**
**
*
***
**
*
*
*
***
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*****
**
*
*****
*
*
********
****
********** *
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****************
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*******
**
*
*
EN
E
FE
B
MA
R
AB
R
MA
Y
JU
N
JU
L
AG
O
SE
T
OC
T
NO
V
DIC
0
40
80
120
160
200C
on
cen
tracio
n (
µg
/m³)
Ozono superficial en San Martín de Porres en el año 2015 (Elaboración Raphael Aliaga)
******
*
**
*
***
**
*
*
*****************
** *
****
***
**********
***
*
*
*
*
*
***
*******
*
*****
*
**
*
*
*
***
**
*
*
** **
****
******
*
*
*
EN
E
FE
B
MA
R
AB
R
MA
Y
JU
N
JU
L
AG
O
SE
T
OC
T
NO
V
DIC
0
20
40
60
80
100
120C
on
cen
tracio
n (
µg
/m³)
CATT/BRAMS + CHEM CCATT/BRAMS
Cortesy of Dr. Saulo Freitas, 2010
Modelo de la calidad del aire CCATT/BRAMS
CCATT/BRAMS es un modelo de transporte atmosférico Euleriano que realiza
pronóstico de contaminantes atmosféricos resolviendo la ecuación de conservación de
masa
Ecuación de continuidad de masa en el modelo CCATT/BRAMS
CCATT/BRAMS simulation domain and grid configuration
CCATT/BRAMS modeling domain of 5 km and monitoring station. Shaded areas represent topography altitudes asl
0
50
100
150
200
250
NOx CO
Gg
/ye
ar
MTC
MTC
Emissions of NOx and CO from local emision (MTC) (gigagramo=106 kg)
Emissions of CO (g/m2day) from Lima on a 5 km grid covering Lima city
Emissions of NO ( g/m2day) (x1/100) from Lima on a 5 km grid covering Lima city
Mobile emission hourly distribution, in each cell CCATT/BRAMS model for CO in %Emission of CO (Tons/hour) (Lents et al., 2004)
0.0002.0004.0006.0008.000
10.000
0 3 6 9 12 15 18 21
Dai
ly
em
issi
on
(%)
local time
Mobile emission hourly distribution, in each cell CCATT/BRAMS model for NOxEmission of NOx (Tons/hour) (Lents et al., 2004)
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
0 3 6 9 12151821
Dai
ly e
mis
sio
n (
%)
local time
RESULTADOS DEL MODELO CCATT/BRAMS
16
17
18
19
20
21
22
23
24
251
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
13
:00
7:0
01
:00
19
:00
01/03/201102/03/201103/03/201104/03/201105/03/201106/03/201107/03/201108/03/201109/03/201110/03/201111/03/201112/03/201113/03/201114/03/201115/03/201116/03/201117/03/201118/03/201119/03/201120/03/201121/03/201122/03/201123/03/201124/03/201125/03/201126/03/201127/03/201128/03/201129/03/201130/03/201131/03/201101/04/2011
T°
T CCATT/BRAMS T OSERVED
Measurement of temperature in Lima, in comparison with local emissionCCATT/BRAMS model result
Comparison radiosonde amd CCATT/BRAMS vertical temperature in March 2011 in Lima(prepared by José Chavez, 2011)
0.0
1,000.0
2,000.0
3,000.0
4,000.0
5,000.0
-20.00 0.00 20.00 40.00
He
igh
t (
m)
Radiosonde Temperature
T CCATT/BRAMS
T OBSERVED
Measurement of NO concentration in March 2011 in San Borja station, in comparison with CCATT/BRAMS model result
0
20
40
60
80
100
120
01:00 04:00 07:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00
NO
NO_lima NO_obs
Measurement of NO concentration in March 2011 in San Borja station, in comparison with CCATT/BRAMS model result
0
5
10
15
20
01:00 04:00 07:00 10:00 13:00 16:00 19:00 22:00
O3
O3_lima O3_obs
Concentración de monóxido de nitrogeno (ppb) en la ciudad de Lima para el día 4 de julio de 2016, inicializando 3.04.2016 http://www.senamhi.gob.pe/calidad_aire.php
Agradecimiento
A Ing. Eric Concepción, Ing. Violeta Rivera y Ing. AdelaVega del Ministerio del Ambiente que gracias a lasgestiones para el financiamiento fue posible realizarel análisis químico
El personal del Laboratorio de Control Ambiental de laDirección General de Salud Ambiental (DIGESA) quediligentemente colaboraron y ofrecieron lasfacilidades para el pesado de filtros de PM10