Tendencias y dinámica de los episodios de contaminación por ozono troposférico en España

Abstract

(English) Tropospheric ozone (O3) is a secondary gaseous photochemical pollutant with adverse effects on health, ecosystems, and materials, and it contributes to the greenhouse effect. 94% of the urban population in Europe is exposed to harmful levels of O3, especially in the south and Mediterranean countries like Spain, where regulatory values are systematically exceeded. The abatement of O3 concentrations is complex due to the nonlinear reactions between its key precursors - nitrogen oxides (NOx) and volatile organic compounds (VOCs)- , and the influence of meteorology and atmospheric transport processes at various scales. The aim of this thesis is to enhance the understanding of O3 dynamics in Spain and contribute to the future National Ozone Plan aimed at reducing its levels. This research is based on the analysis of experimental air quality and meteorological data. A regionalization of the territory has been proposed according to the severity of O3 pollution. Critical zones (hotspots) are those with the highest O3 levels and should therefore be prioritized in implementing reduction policies. These include: the Madrid basin, the north of Barcelona (NoB), the closed basin of Puertollano, the interior of the Valencian Community, and the Guadalquivir basin (GB). In these hotspots, external contributions of O3 to Spain and Europe add to the considerable O3 production generated from intense local/regional precursor emissions, causing exceedances of regulatory values. Proper management of these emissions could significantly reduce O3 levels during episodes. Two hotspots have been studied in depth: (i) the GB, where some O3 contributions have been estimated. Controlling local/regional emissions could reduce O3 levels by up to ~50% during acute episodes. (ii) Barcelona - NoB axis, where three exceptional O3 episodes in the city have been analyzed, identifying their causes (mostly common): prior accumulation of O3, weekend effect, specific meteorological conditions, with Tramontana at altitude and very high temperatures, and multiregional convergence of air masses. The evolution of O3 levels has been analyzed in three phases: before (2008- 2019), during (2020- 2021), and after (2022- 2023) the COVID-19 pandemic, due to its impact on precursor emissions. Between 2008-2019, O3 levels in the hotspots showed divergent trends. In the Madrid basin, they increased generally due to meteorology, reduced NOx emissions from road traffic, and a slight increase in VOCs, in a VOC-limited O3 formation regime. In contrast, Seville recorded decreases in O3, attributed to an atypical urban O3 formation regime (more limited by NOx). Other hotspots showed no clear trends, due to slight variations in precursor emissions and the absence of meteorological variations. During the pandemic, O3 levels decreased widely across the country, especially on the Mediterranean littoral, where for the first time regulatory values were not exceeded, due to the unprecedented reduction in precursor emissions at various scales (local, regional, European, and hemispheric), and unfavorable meteorological conditions for O3 production/accumulation. During the post-pandemic period, O3 levels increased compared to the pandemic, although they generally did not reach pre-pandemic levels, despite multiple and intense heat waves conducive to O3. In all three periods, O3 levels increased in urban areas affected by traffic emissions, indicating various causes. The results suggest a long-term convergence between O3 levels in rural and urban environments. Additionally, they highlight the importance of analyzing O3 dynamics at the local/regional scale and applying differentiated management for the various hotspots.

(Català) L'ozó (O3) troposfèric és un contaminant secundari gasós fotoquímic amb efectes adversos en la salut, els ecosistemes i els materials, i que contribueix a l'efecte hivernacle. El 94% de la població urbana europea està exposada a nivells nocius d'O3, especialment al sud i a països mediterranis com Espanya, on se superen sistemàticament els valors normatius. La reducció dels nivells d'O3 és complexa a causa de les reaccions no lineals entre els seus precursors clau - òxids de nitrogen (NOx) i compostos orgànics volàtils (COVs)- , i a la influència de la meteorologia i dels processos de transport atmosfèric a diferents escales. L'objectiu d'aquesta tesi és ampliar el coneixement de la dinàmica de l'O3 a Espanya i contribuir al futur Pla Nacional d'Ozó, destinat a reduir-ne els nivells. La investigació es basa en l'anàlisi de dades experimentals de qualitat de l'aire i meteorològiques. S'ha proposat una regionalització del territori segons la severitat de la contaminació per O3. Les zones crítiques (hotspots) registren els nivells més alts d'O3 i, per tant, són les àrees a prioritzar en la implementació de polítiques de reducció. Aquestes inclouen: la conca de Madrid, el nord de Barcelona (NdB), la conca tancada de Puertollano, l'interior de la Comunitat Valenciana i la conca del Guadalquivir (CdG). En aquests hotspots, les contribucions d'O3 externes a Espanya i Europa se sumen a la considerable producció d'O3 generat a partir d'emissions locals/regionals intenses de precursors, causant superacions dels valors normatius. La gestió adequada d'aquestes emissions podria reduir marcadament els nivells d'O3 durant episodis. S'han estudiat dos hotspots en profunditat: (i) la CdG, on s'han estimat algunes contribucions d'O3. El control d'emissions locals/regionals tindria un potencial de reducció de fins al ~50% dels nivells d'O3 durant episodis aguts. (ii) Eix Barcelona- NdB, on s'han analitzat tres episodis excepcionals d'O3 a la ciutat, identificant-ne les causes (majoritàriament comunes): acumulació prèvia d'O3, efecte cap de setmana, condicions meteorològiques específiques, amb Tramuntana en altura i temperatures molt altes, i convergència multiregional de masses d'aire. S'ha analitzat l'evolució dels nivells d'O3 durant tres fases: abans (2008- 2019), durant (2020- 2021) i després (2022- 2023) de la pandèmia de COVID-19, a causa del seu impacte en l'emissió de precursors. Entre 2008- 2019, els nivells d'O3 als hotspots van mostrar tendències divergents. A la conca de Madrid, van augmentar de forma generalitzada, degut a la meteorologia, la reducció d'emissions de NOx del trànsit rodat, i al lleu augment de COVs, en un règim de formació d'O3 COV-limitat. En contrast, Sevilla va registrar descensos d'O3, atribuïts a un règim de formació d'O3 urbà atípic (més limitat per NOx). Altres hotspots no van mostrar tendències clares, a causa de variacions lleus en les emissions de precursors i a l'absència de variacions meteorològiques. Durant la pandèmia, els nivells d'O3 van decréixer àmpliament al país, especialment al litoral Mediterrani, on per primera vegada no es van superar valors normatius, degut a la reducció sense precedents de les emissions de precursors a diverses escales (local, regional, europea i hemisfèrica), i a condicions meteorològiques desfavorables per a la producció/acumulació d'O3. En post-pandèmia, els nivells d'O3 van augmentar respecte a la pandèmia, encara que generalment no van assolir els nivells de pre-pandèmia, malgrat les múltiples i intenses onades de calor, propícies per a l'O3. En els tres períodes, els nivells d'O3 van augmentar en zones urbanes afectades per emissions de trànsit, indicant diverses causes. Els resultats suggereixen una convergència a llarg termini entre els nivells d'O3 en entorns rurals i urbans. A més, destaquen la importància d'analitzar la dinàmica d'O3 a escala local/regional i d'aplicar una gestió diferenciada per als diferents hotspots.

(Español) El ozono (O3) troposférico es un contaminante secundario gaseoso fotoquímico con efectos adversos en la salud, los ecosistemas y los materiales, y que contribuye al efecto invernadero. El 94% de la población urbana europea está expuesta a niveles nocivos de O3, especialmente en el sur y países mediterráneos como España, donde se superan sistemáticamente los valores normativos. La reducción de los niveles de O3 es compleja debido a las reacciones no lineales entre sus precursores clave -óxidos de nitrógeno (NOx) y compuestos orgánicos volátiles (COVs)-, y la influencia de la meteorología y de procesos de transporte atmosférico a diferentes escalas. El objetivo de esta tesis es ampliar el conocimiento de la dinámica del O3 en España y contribuir al futuro Plan Nacional de Ozono, destinado a reducir sus niveles. La investigación se basa en el análisis de datos experimentales de calidad del aire y meteorológicos. Se ha propuesto una regionalización del territorio según la severidad de la contaminación por O3. Las zonas críticas (hotspots) registran los niveles más altos de O3 y, por tanto, son las áreas a priorizar en la implementación de políticas de reducción. Estas incluyen: la cuenca de Madrid, el norte de Barcelona (NdB), la cuenca cerrada de Puertollano, el interior de la Comunidad Valenciana y la cuenca del Guadalquivir (CdG). En estos hotspots, los aportes de O3 externos a España y Europa se suman a la considerable producción de O3 generado a partir de emisiones locales/regionales de precursores, causando superaciones de los valores normativos. La gestión adecuada de estas emisiones podría reducir marcadamente niveles de O3 durante episodios. Se han estudiado dos hotspots en profundidad: (i) la CdG, donde se han estimado algunas contribuciones de O3. El control de emisiones locales/regionales podría reducir hasta el ~50% de los niveles de O3 durante episodios agudos. (ii) Eje Barcelona- NdB, donde se han analizado tres episodios excepcionales de O3 en la ciudad, identificando sus causas (mayormente comunes): acumulación previa de O3, efecto fin de semana, condiciones meteorológicas específicas, conTramontana en altura y muy altas temperaturas, y convergencia multirregional de masas de aire. Se ha analizado la evolución de los niveles de O3 durante tres fases: antes (2008- 2019), durante (2020- 2021) y después (2022- 2023) de la pandemia de COVID-19, debido a su impacto en la emisión de precursores. En 2008- 2019, los niveles de O3 en los hotspots mostraron tendencias divergentes. En la cuenca de Madrid, aumentaron de forma generalizada, debido a la meteorología, la reducción de emisiones de NOx del tráfico rodado, y al leve aumento de COVs, en un régimen de formación de O3 COV-limitado. En contraste, Sevilla registró descensos de O3, atribuidos a un régimen de formación urbano atípico (más limitado por NOx). Otros hotspots no mostraron tendencias claras, debido a variaciones leves en las emisiones de precursores y a la ausencia de variaciones meteorológicas. En pandemia, los niveles de O3 decrecieron ampliamente en el país, especialmente en el litoral Mediterráneo, donde por primera vez no se superaron valores normativos, debido a la reducción sin precedentes de las emisiones de precursores a diversas escalas (local, regional, europea y hemisférica), y a condiciones meteorológicas desfavorables para la producción/acumulación de O3. En post-pandemia, los niveles de O3 aumentaron respecto a la pandemia, aunque generalmente no alcanzaron los niveles de pre-pandemia, a pesar de las múltiples e intensas olas de calor, propicias para el O3. En los tres periodos, los niveles de O3 aumentaron en zonas urbanas afectadas por emisiones de tráfico, indicando varias causas. Los resultados sugieren una convergencia a largo plazo entre los niveles de O3 en entornos rurales y urbanos. Además, destacan la importancia de analizar la dinámica de O3 a escala local/regional y de aplicar una gestión diferenciada para los distintos hotspots.