Análisis de la calidad del aire en diferentes ciudades de América Latina y el Caribe a partir de mediciones en superficie y datos del servicio de monitoreo atmosférico de Copernicus (CAMS)

Abstract

Atmospheric pollution is one of the biggest environmental problems in the world. To evaluate and create action plans that improve air quality, measurements are needed that indicate the state of air quality, its trends, the pollutants of greatest concern and the regions most affected. However, to have air quality measurements it is necessary for governments to have policies and resources focused on this issue. For many years, developed countries have had data and programs to measure and improve air quality, but in regions such as Latin America and the Caribbean, many countries have so far started their measurement programs and in some cases they do not. According to the World Bank, global monitoring and modeling systems are a free source of information and can help to know the air quality in a specific region.

CAMS is the atmospheric monitoring service of the Copernicus program and has models to know the atmospheric composition such as CAMS Reanalysis, CASMRA generates air quality and meteorological data with hourly and spatial temporal resolutions below 1° arc. Currently there are no works evaluating the CAMS data for Latin America and the Caribbean

For these reasons, the main objective of this work was to analyze the air quality in different cities of Latin America and the Caribbean from surface monitoring, CAMSRA data and Tropomi satellite monitoring. Initially, data was sought in cities with more than one million inhabitants and later these data were spatially and temporally analyzed. The surface mediations were then evaluated and compared with the data from CAMSRA and Tropomi. Finally, satellite images identified areas with the highest level of pollutants in the region or places where more in-depth studies are needed.

This work allowed the creation of a public database of 15 cities in the region with hourly periodicity for all pollutants by station. Also, it allowed to analyze for the first time multiple trends from 2000 to 2018 together thanks to the new Prophet tool. On the other hand, the performance of CAMS and Tropomi in Latin America and the Caribbean was evaluated for the first time and compared with surface data. Furthermore, it was possible to identify areas with high levels of contamination by means of satellite images of Tropomi.

It was found that only 18% of cities with more than 1 million inhabitants measure air quality with good spatial and temporal resolution. From the analysis of the available surface measurements, it was found that, in general, in the cities analyzed, air pollution has decreased in the last two decades. However, all cities still exceed the recommendations by the World Health Organization for particulate matter. The results also indicate that the CAMSRA data only reproduce the trends and levels of particulate matter in some cities in Latin America and the Caribbean. It was also found that Tropomi in general reproduces well the trends of surface NO2 measurements, however, it does not adequately reproduce the behavior of particulate matter.

Finally, it is concluded that global monitoring and modeling information is very valuable and very useful to analyze air quality problems in this region of the world or where there are still no air quality monitoring networks.

La contaminación atmosférica es una de las mayores problemáticas medio ambientales en el mundo. Para evaluar y crear planes de acción que mejoren la calidad del aire se necesitan mediciones que indiquen cual es el estado de la calidad del aire, sus tendencias, los contaminantes de mayor preocupación y las regiones más afectadas. Sin embargo, para tener mediciones de calidad del aire es necesario que los gobiernos tengan políticas y recursos enfocados en este tema. Desde hace muchos años países desarrollados cuentan con datos y programas para medir y mejorar la calidad del aire, pero en regiones como América Latina y el Caribe muchos países hasta ahora inician sus programas de medición y en algunos casos no tienen. De acuerdo con el Banco Mundial los sistemas de monitoreo y modelación global son una fuente de información gratuita y pueden ayudar a conocer la calidad del aire en una región especifica.

CAMS es el servicio de monitoreo atmosférico del programa Copernicus y cuenta con modelos para conocer la composición atmosférica como CAMS Reanálisis. CASMRA genera datos de calidad del aire y meteorológicos con resoluciones temporales horarias y espaciales inferiores a 1° de arco. Actualmente no existen trabajos que validen los datos de CAMS para América Latina y el Caribe.

Por estos motivos, este trabajo tuvo como objetivo principal analizar la calidad del aire en diferentes ciudades de América Latina y el Caribe a partir de monitoreos en superficie, datos de CAMSRA y monitoreos de satelitales de Tropomi. Inicialmente se buscaron datos en las ciudades con más de un millón de habitantes y posteriormente se analizaron espacial y temporalmente dichos datos. Luego se evaluaron y compararon las mediciones en superficie con los datos de CAMSRA y Tropomi. Finalmente, por medio de imágenes satelitales se identificaron zonas con mayor nivel de contaminantes en la región o lugares donde se necesiten hacer estudios con mayor profundidad.

Este trabajo permitió crear una base de datos publica de 15 ciudades de la región con periodicidad horaria para todos los contaminantes por estación. También, permitió analizar por primera vez múltiples tendencias desde el año 2000 hasta el año 2018 en conjunto gracias a la nueva herramienta Prophet. Por otra parte, se evaluó por primera vez el desempeño de CAMS y de Tropomi en América Latina y el Caribe y se compararon con datos en superficie. Además, se pudo identificar zonas con altos niveles de contaminación por medio de imágenes satelitales de Tropomi.

Se encontró que solo el 18% de las ciudades con más de 1 millón de habitantes miden la calidad del aire con una buena resolución espacial y temporal. A partir del análisis de las mediciones de superficie disponibles se encontró que en general en las ciudades analizadas la contaminación del aire ha disminuido las últimas dos décadas. No obstante, todas las ciudades aun exceden las recomendaciones por la Organización Mundial de la Salud para material particulado. Los resultados también indican que los datos de CAMSRA solo reproducen las tendencias y los niveles del material particulado en algunas ciudades de América Latina y el Caribe. También se encontró que Tropomi en general reproduce bien las tendencias de las mediciones de NO2 en superficie, sin embargo, no reproduce adecuadamente el comportamiento del material particulado.

Finalmente, se concluye que la información de monitoreo y modelación globales es muy valiosa y de gran utilidad para analizar los problemas de calidad del aire en esta región del mundo o donde aún no existen redes de monitoreo de calidad del aire.