Tropospheric O₃ Model from Climatological Approaches in the Colombian Andes

Abstract

We identified two climatological parameters that are key to modeling the behavior of tropospheric ozone (O₃) produced in the urban area of a heavily polluted city in the Colombian Andes. These parameters are the relative humidity (RH) and total radiation intensity (I). In topographically constrained areas, the production of tropospheric O₃, as a by-product during photo-oxidation of carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NO and NO₂) has received much attention over the last decades. Models used to describe O₃ dynamics are based on computationally demanding techniques that require lots of input data, however. This study proposes a simple approach for describing O₃. To that end, it evaluates fifteen empirical models based on the combination of four linear regressions: O₃ against RH, temperature (T), wind speed (U), and I. Each model is driven by the analyzed climatological parameters over the period from 2012 to 2018 and further run using either daily or monthly averaged data. The best fitting model for monthly averaged data outperformed that for daily averaged data in both mathematical simplicity and accuracy; however, the differences between these models remained <0.4 percent. The results suggest that the O₃ produced increases with I and decreases with RH.

在对哥伦比亚安第斯山脉一个严重污染城市产生的对流层臭氧的行为模拟中, 我们确定了两个关键的气候学参数：相对湿度和总辐射强度。在地形受限地区, 对流层臭氧是一氧化碳和氮氧化合物（一氧化氮和二氧化氮）的光氧化过程的副产品。过去几十年中, 对流层臭氧受到广泛的关注。然而, 描述臭氧动力学的模式, 依赖于基于大量输入数据的计算技术。本研究提出一个简单的方法来描述臭氧。为此, 本文基于四种线性回归组合（臭氧与相对湿度、温度、风速和总辐射强度）, 对15个经验模式进行了评估。每个模式都由2012年至2018年的气候参数所驱动, 并利用日平均或月平均数据进一步运行模式。月平均数据的最佳拟合模式, 在数学简单性和精度上均优于日平均数据。然而, 这些模式之间的差异在0.4%以内。结果表明, 臭氧随着总辐射强度的增加而增加, 随着相对湿度的增加而减少。

Identificamos dos parámetros climatológicos que son claves para modelar el comportamiento del ozono troposférico (O₃) producido en el área urbana de una ciudad altamente contaminada, en los Andes colombianos. Estos parámetros son la humedad relativa (RH) y la intensidad de la radiación total (I). En áreas constreñidas topográficamente la producción de O₃ troposférico, como subproducto del proceso de foto-oxidación del monóxido de carbono (CO) y los óxidos de nitrógeno (NO y NO₂), ha recibido considerable atención durante las últimas décadas. Sin embargo, los modelos que se usan para describir la dinámica del O₃ se basan en técnicas computacionales que requieren grandes cantidades de datos. En este estudio se propone un enfoque simple para describir el O₃. Con tal fin, se evalúan quince modelos empíricos basados en la combinación de cuatro regresiones lineales: O₃ contra RH, temperatura (T), velocidad del viento (U), e I. Cada modelo es controlado por los parámetros climatológicos analizados a lo largo del período de 2012 a 2018 y por una corrida adicional usando datos promedio diarios o mensuales. El modelo más adecuado para los datos promedio mensuales superó al de los datos promedio diarios tanto en simplicidad matemática como en exactitud; sin embargo, las diferencias entre estos modelos permanecieron en <0.4 porciento. Los resultados sugieren que el O₃ producido se incrementa con I y decrece con RH.

Key Words:

• climatological parameters
• mathematical model
• tropospheric ozone

关键词:

• 气候参数
• 数学模式
• 对流层臭氧。

Palabras clave:

• modelo matemático
• ozono troposférico
• parámetros climatológicos

Additional information

Funding

This study was funded by Tecnológico de Antioquia—Institución Universitaria, Medellín, Colombia, Project Grant Contract No. 206001116.

Notes on contributors

Daniel Nisperuza

DANIEL NISPERUZA is a Professor in the Department of Basic Science at Technological University Institution of Antioquia, Calle 78B No. 72A – 220, 050034, Medellín, Colombia. E-mail: [email protected]. His research interests include the studies of air quality in urban areas by using in situ and remote sensing technologies.

Alex Rúa

ALEX RÚA is an Assistant Professor in Corporación Académica Ambiental at Universidad de Antioquia, Calle 70 No. 52 – 21. A.A. 1226, 050010, Medellín, Colombia. E-mail: [email protected]. His research interests comprise quality of air, water, and sediment.

Efren Avendaño-Tamayo

EFREN AVENDAÑO-TAMAYO is a Professor in the Department of Basic Science at Technological University Institution of Antioquia, Calle 78B No. 72A – 220, 050034, Medellín, Colombia. E-mail: [email protected]. His research interests include environmental health and biomedicine.

Leidy Vásquez

LEIDY VÁSQUEZ is an Environmental Engineer from the Technological University Institution of Antioquia, Calle 78B No. 72A – 220, 050034, Medellín, Colombia. E-mail: [email protected]. Her research interests include the studies of air quality and environmental control policies.

Heazel Grajales

HEAZEL GRAJALES is an Assistant Professor in Corporación Académica Ambiental at Universidad de Antioquia, Calle 70 No. 52 – 21, A.A. 1226, 050010, Medellín, Colombia. E-mail: [email protected]. Her research interests include assessment of environmental quality, limnology, and environmental resources management.