Associació Catalana
de Meteorologia

TETHYS, revista de meteorologia - Núm. 2    

Tethys > núm. 2 > articles > article 3

CARACTERITZACIÓ QUÍMICA DE LA PRECIPITACIÓ AL MONTSENY: RELACIÓ ENTRE METEOROLOGIA I TRANSPORT

A. Avila
Centre de Recerca Ecològica i Aplicacions Forestals. Universitat autònoma de Barcelona.
avila@cc.uab.es

M. Alarcón
Departament de Física i Enginyeria Nuclear. Universitat Politècnica de Catalunya.
marta@pro.eupvg.upc.es

1. RESUM

Aquest treball s’ha centrat en l’estudi de la relació entre la composició química de la precipitació al Montseny i les situacions meteorològiques associades, amb la finalitat de relacionar meteorologia i transport atmosfèric. Es varen recollir i analitzar més de 350 mostres de precipitació global (seca més humida) entre 1983 i 1994. Es va fer una classificació segons la procedència de la massa d’aire associada a cada mostra basada en l’anàlisi de retrotrajectories i l’estudi dels mapes sinòptics. Aquesta classificació es va comparar amb l’obtinguda a partir de tècniques d’anàlisi multivariant (anàlisi de cluster i de components principals). Les pluges alcalines (pH mitjà de 7.2) es van associar a trajectòries africanes. Els episodis locals van produir pluges neutres (pH mitjà de 5.0). Els episodis de procedència europea van produir pluges àcides (pH mitjà de 4.4) i les concentracions més altes d’amoni, nitrats i sulfats. Els episodis de procedència oceànica també varen ser àcids (pH mitjà de 4.8) però molt diluïts. Les pluges de procedència marina van tenir una freqüència del 52%, mentre que la freqüència de les africanes i les europees van ser del 10% i la de les locals del 18%. Durant el període d’estudi hi va haver una tendència decreixent en la freqüència de les pluges d’origen europeu.


2. Introducció

La química de la precipitació és molt variable degut als diferents processos físics, químics i meteorològics que intervenen en el transport de les masses d’aire, durant la formació dels núvols i en la precipitació. En els darrers anys s’ha dedicat una atenció especial a l’estudi de la pluja àcida, responsable de la acidificació d’aigües i sòls, així com del deteriorament de boscos (Drablos i Tollan, 1980; Hutchinson and Havas, 1980).

D’altra banda, les regions desèrtiques del nord i centre d’Àfrica són una font important de pols a l’atmosfera que aquesta pot transportar a grans distàncies. Aquesta pols, rica en substàncies, és dipositada en mars i continents com és el cas, per la proximitat, del Mediterrani i del sud d’Europa, intervenint aleshores en el cicle biogeoquímic dels ecosistemes. La seva deposició pot ser en forma seca i/o en forma humida en les anomenades ‘pluges de fang’. A banda de l’aportació de nutrients, un altre efecte important d’aquestes pluges és que actuen com a neutralitzadores de la pluja àcida, ja que són molt alcalines i tenen un pH alt.

L’objectiu d’aquest treball ha estat analitzar la relació entre els factors meteorològics que determinen les trajectòries de les masses d’aire i el contingut en substàncies que aquestes masses transporten. Estudis anteriors realitzats al Montseny (Avila, 1996) descriuen fluctuacions importants en la acidesa de la pluja, amb valors del pH que oscil·len entre 3.98 i 8.01. Els episodis considerats alcalins (pH entre 6 i 8) van ser identificats com de procedència africana, amb continguts alts en pols calcària i en minerals argilosos (Avila et al. 1997 i 1998). En canvi, es coneixen poc, fins al moment, els mecanismes de transport que hi intervenen en els episodis àcids. En aquest treball s’han intentat identificar les regions font de substàncies responsables de l’acidificació de la pluja. L’estudi compren un gran nombre d’episodis de pluja corresponents a un període d’onze anys. Els objectius específics han estat:

1) caracteritzar la composició química de la pluja per a cada una de les principals vies de transport que arriben a la regió;

2) determinar les pautes sinòptiques principals associades als diferents transports; i

3) analitzar la tendència estacional de les diverses procedències.


3. Material i mètodes

L’estació de mostreig està situada en una clariana d’un bosc dens d’alzinar a La Castanya (Montseny), a 700 m d’altitud (41º 46’N, 2º 21’E), a uns 45 km al nord-est de Barcelona i a uns 27 km a l’oest de la costa catalana. La precipitació mitjana anual durant el període d’estudi, agost 1983 - juliol 1994, va ser de 876 mm (S.D.=195 mm). Aproximadament el 3% va ser en forma de neu.

Durant el període esmentat es va procedir a la captació de l’aigua de la pluja, amb recollida setmanal de la precipitació, i la determinació posterior de la conductivitat, alcalinitat, pH i concentració del principals anions (SO42-, NO3-, i Cl-) i cations (Na+, K+, Ca2+, Mg2+ i NH4+).

Donat que el col·lector es trobava permanentment obert, de les mostres recollides s’obtenia la deposició global (seca per sedimentació gravitatòria més humida). Per determinar la importància de la deposició seca, es van seguir dos procediments: a) el càlcul de la correlació entre el nombre de dies sense pluja, previs a cada pluja, i la concentració de ions en la precipitació; b) l’anàlisi de 20 mostres d’aigua destil·lada utilitzada per rentar el col·lector després de la seva exposició durant una setmana sense pluja. Els resultats del dos estudis van mostrar que la deposició seca és molt petita i és pot considerar menyspreable en comparació a la deposició humida. De tota manera, per minimitzar la incidència de la precipitació seca, es van descartar les mostres amb una precipitació inferior a 2 mm.


3.1. Identificació de les regions font

Per tal d’avaluar la incidència dels factors meteorològics en la composició química de la pluja, es va fer una classificació dels episodis en quatre grups segons la procedència de la massa d’aire. Així, per a cada mostra de precipitació es va identificar la situació meteorològica associada, mitjançant l’anàlisi dels mapes isobàrics de 850 hPa i 770 hPa del Deutsche Wetterbericht i els butlletins de l’Instituto Nacional de Meteorologia.

La determinació de les retrotrajectòries ens proporciona una informació més precisa de la procedència de les masses d’aire. Aquestes han estat calculades sobre superfícies isentròpiques. A partir de la interpolació de les dades de les superfícies isobàriques estàndar es van obtenir valors del geopotencial, la temperatura i les components del vent sobre diferents superfícies isentròpiques (305 K, 310 K, 315 K i 320 K). A partir d’aquestes dades, es van calcular posicions, velocitats i acceleracions per integració de les equacions cinemàtiques del moviment en coordenades isentròpiques. Una descripció complerta del mètode es pot trobar a Alarcón (1993).

Donat el volum tant important de dades i temps de càlcul necessaris, es va fer l’anàlisi de retrotrajectòries isentròpiques només per a un conjunt reduït de 37 episodis escollits a l’atzar. El resultat de l’anàlisi de la procedència del flux basat en els mapes sinòptics va coincidir amb el proporcionat per les retrotrajectòries, per als 37 episodis.

Com que les mostres corresponien a pluja acumulada durant una setmana, primer es va procedir a identificar els dies de pluja de cada període setmanal. A continuació es va obtenir la situació sinòptica per a cada dia de pluja. Si la mostra setmanal corresponia a més d’un dia de pluja, es van descartar aquelles mostres en que havia hagut barreja de diferents situacions sinòptiques. Així només es van incloure les mostres que corresponien a un únic dia de pluja (aproximadament el 50% del casos), o a més d’un dia però amb situació meteorològica estable. D’aquesta manera se’n van descartar 14, i van quedar 331 casos per al posterior anàlisi estadístic.


3.2. Anàlisi estadístic

Prèvia normalització de les dades, es va calcular la matriu de correlació, amb 331 observacions i 11 variables (conductivitat, pH, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4+, SO42-, NO3-, Cl- i alcalinitat). A continuació es va fer l’anàlisi de cluster i l’anàlisi de components principals. Es van obtenir 4 grups diferents i tres components principals (corresponents al 87% de la variança). La classificació meteorològica es va comparar amb l’obtinguda a partir d’aquest anàlisi.


4. Resultats

La composició química mitjana de la deposició global a La Castanya (Montseny) es va caracteritzar per una contribució marina moderada, concentracions moderades de nitrogen i una contribució important de Ca2+ i SO42- (taula 1). En terme mig, l’acidesa potencial associada als anions àcids va resultar neutralitzada pels cations bàsics. S’obtingué una alcalinitat neta positiva i un pH mitjà no àcid (pH=6.43). Les pluges àcides (pH<4.5) van representar el 20% del total d’episodis, i el 15% de la precipitació. Les molt alcalines (pH>6.5) també van ser presents en una proporció similar: 17% dels episodis i 20% de la precipitació. El rang de valors de pH trobats va de 3.98 a 8.01. La concentració de ions també va ser molt variable, amb diferències entre els valors màxim i mínim d’uns 2-3 ordres de magnitud (taula 1).

Taula 1. Concentracions mitjanes ponderades amb el volum, desviació estandar i valors màxims i mínims per als principals ions en la precipitació total a La Castanya (Montseny). Conductivitat en m S cm-1, a 20ºC; concentracions en m eq L-1.


4.1 Classificació meteorològica

Es va fer una classificació dels episodis basada en la procedència de la massa d’aire a partir de l’estudi de la situació meteorològica sinòptica i del càlcul de retrotrajectòries. Els grups identificats corresponen a 1) procedència ‘marina’, 2) procedència ‘local’, 3) procedència ‘europea’ i 4) procedència ‘africana’, com es mostra a la figura 1.


Figura 1. Mapa de la regió mostrant les diferents regions font. E: procedència ‘europea’,
A: procedència ‘africana’ i M: procedència ‘marina’ (inclou oceànica i mediterrània)

La classe ‘marina’ inclou procedència atlàntica i mediterrània, encara que aquesta última és molt menys important (8% dels casos de procedència marina). La figura 2 mostra les trajectòries d’un dels episodis de procedència ‘marina’.

Figura 2. Trajectòries corresponents a un dels episodis de procedència ‘marina’.

La classe ‘local’ inclou episodis associats a situacions meteorològiques sense gradient bàric, o amb gradient bàric molt feble. Aquesta situació és freqüent en el Mediterrani occidental, sobretot a l’estiu. L’anticicló de les Azores, centrat a l’oest de la Península Ibérica desvia el flux de l’oest cap al nord, produint un bloqueig de l’aire en el Mediterrani occidental. En aquesta situació dominen els vent locals d’origen tèrmic, com les brises, i donen lloc sovint a tempestes convectives. Aquells episodis en què la direcció del flux no estava ben definida, com succeeix quan es forma una depressió sobre Catalunya, també es van classificar dins la classe ‘local’. Són freqüents a l’hivern i la primavera, i sovint s’acompanyen de precipitacions intenses.

La classe ‘europea’ està associada amb advecció des del centre i l’est d’Europa. Aquesta advecció es produeix quan una depressió passa sobre Italia o el Mar de Liguria, i un centre d’altes pressions s’instal·la sobre Europa del nord (Clavero i Raso, 1979).

Figura 3. Trajectòries corresponents a un dels episodis de procedència ‘europea’.

La classe ‘africana’ correspon a episodis amb trajectòries que arriben del nord d’Àfrica. Aquest cas ha estat associat sovint a la presència, en nivells baixos, d’una depressió sobre l’Atlàntic i d’un anticicló sobre Europa central o septentrional. Aquestes situacions es donen més sovint en primavera i estiu, des d’abril fins agost.

Figura 4. Trajectòries corresponents a un dels episodis de procedència ‘africana’.

4.2. Composició mitjana i classe meteorològica

A la taula 2 es mostra la mitjana geomètrica, la mitjana ponderada pel volum i els valors màxim i mínim per a cada classe. Les figures 5 i 6 mostren les distribucions de pH i el contingut iònic total, respectivament.

La pluja més diluïda va correspondre a la classe ‘marina’, moderadament àcida. Com aquesta classe comprenia episodis de procedència atlàntica i de procedència mediterrània es va aplicar un test de Kolmogorov-Smirnov per esbrinar si la química dels ions per ambdós orígens corresponia o no a la mateixa distribució. Es van trobar diferències significatives només per al Ca2+, NH4+ i NO3-,més baixos a la Mediterrània.

La classe ‘europea’ va presentar la conductivitat mitjana més alta, concentracions altes de NH4+, NO3- i SO42- i el pH més àcid. Tots els episodis amb pH<4.0 van correspondre a aquesta classe.

Taula 2. Valors mitjans per a les 4 classes meteorològiques. xg: mitjana geomètrica, xw: mitjana ponderada amb el volum. Es mostren també els valors màxim i mínim. Les unitats són m eq L-1 per a les concentracions i m S cm-1, a 20ºC, per a la conductivitat.


La classe ‘africana’ va presentar concentracions altes per als cations bàsics. En general van ser molt alcalines.

Les pluges de procedència ‘local’ van presentar característiques intermèdies entre la classe ‘marina’ i les altres dues classes: van ser més concentrades que les ‘marines’, però menys que les ‘europees’ o les ‘africanes’. La seva alcalinitat va ser positiva, però inferior a la de les ‘africanes’.

Les característiques químiques per a cada classe es poden interpretar en relació amb els principals processos d’emissió a cada regió font. Les concentracions baixes de les pluges de procedència oceànica es poden considerar com els valors de fons de les concentracions a l’hemisferi nord. Els valors alts en acidesa i concentració per als sulfats, nitrats i amoni de les pluges de procedència ‘europea’ es poden interpretar com el resultat de la incorporació a l’atmosfera de les emissions d’origen antropogènic del centre i del nord d’Europa. Les concentracions en cations bàsics d’aquestes pluges també varen ser altes com a conseqüència de la incorporació de partícules d’origen terrestre.

El contingut alt en cations bàsics i l’elevada alcalinitat dels episodis ‘africans’ varen ser atribuïts a la dissolució de pols calcària en la pluja, originada en les regions desèrtiques del nord d’Àfrica.

Figura 5. Distribució del contingut iònic total per a cada classe meteorològica.

 



Figura 6. Distribució del pH per a cada classe meteorològica.

4.3. Valors extrems

La comparació entre el valor màxim i el mínim per a cada classe mostra un ampli rang de valors d’uns dos ordres de magnitud, similar al del conjunt de les dades. Aquests valors extrems poden ser deguts a diverses causes: 1) interpretació errònia de la procedència degut a la inexactitud del mètode de classificació, basat majoritàriament en els mapes meteorològics sinòptics; 2) barreja de les masses d’aire durant l’episodi de pluja; 3) variabilitat química de la precipitació per a les diferents regions font. En relació a aquest tercer punt, hem observat que alguns episodis classificats com a ‘africans’, no tenien les característiques químiques d’aquests, com alcalinitat elevada, pH bàsic i concentració alta de cations bàsics. Això pot ser degut al fet que les pluges d’origen africà només presenten aquestes característiques si en el seu camí sobre el continent africà han interceptat un núvol de pols a l’altura apropiada. De fet, l’aixecament de núvols de pols és més freqüent sota certes condicions de temperatura i d’humitat, que es donen més en primavera i tardor (Morales, 1979). Així, sis de les trajectòries ‘africanes’ tenen les característiques de la classe ‘marina’ (pH baix i concentracions diluïdes). Podria ser degut a que l’atmosfera estigués neta de pols en el moment en que es va produir l’episodi de transport. D’altra banda, set situacions meteorològiques classificades com ‘marines’ van presentar característiques ‘africanes’. En aquest cas podria ser que la massa d’aire interceptés, en el seu pas sobre l’oceà Atlàntic, núvols de pols d’origen africà que avançaven sobre l’oceà, cap a l’oest.

De tota manera, els valors màxim i mínim són casos extrems amb escassa representació a cada classe meteorològica.


4.4. Estudi estadístic

S’han utilitzat tècniques estadístiques d’anàlisi multivariant per determinar les fonts i poder comparar, d’aquesta manera, amb la classificació meteorològica. L’objectiu ha estat obtenir grups d’episodis basats en els valors numèrics de la composició de la pluja i intentar determinar si existeix una correspondència entre aquests i les classes meteorològiques.

Amb aquest propòsit es va realitzar un anàlisi de cluster per obtenir els grups, i un anàlisi en components principals per a la interpretació d’aquests grups. Les dades consistien en 331 observacions i 11 variables.

L’anàlisi de cluster va identificar 4 grups diferents, separats entre ells les distàncies que mostra la taula 3. La composició mitjana per a cada grup es mostra a la taula 4.

Taula 3. Distàncies quadràtiques entre grups.

 

Taula 4. Valors mitjans per als 4 grups. xg: mitjana geomètrica, xw: mitjana ponderada amb el volum. Es mostren també els valors màxim i mínim. Les unitats són m eq L-1 per a les concentracions i m S cm-1, a 20ºC, per a la conductivitat.

 

A partir de l’anàlisi en components principals es van extreure 3 factors que explicaven el 56.2%, 20.5% i 10.5% de la variança, respectivament. El ‘factor 1’ estava correlacionat (taula 5) amb la major part dels ions (SO42-, NO3-, NH4+, K+, Ca2+ i Mg2+), i es va interpretar com un factor representatiu de la magnitud de la concentració. El ‘factor 2’ va presentar valors alts per al pH, l’alcalinitat i el Ca2+. Es va interpretar com un eix d’alcalinitat-acidesa. El ‘factor 3’ va representar la contribució marina, amb continguts alts de Cl-, Na+ i Mg2+ .

Taula 5. Coeficients de correlació entre els tres components principals i les concentracions de ions.

 

Les característiques principals per a cada grup es poden resumir a partir del contingut mitjà en ions i el valor del pH: el ‘grup 1’ va presentar un baix contingut iònic i un pH neutre, el ‘grup 2’ un baix contingut iònic i un pH àcid, el ‘grup 3’ un alt contingut iònic i un pH bàsic i el ‘grup 4’ un alt contingut iònic i un pH àcid.

Es va representar cada mostra en el pla definit pels dos factors més importants: ‘factor1’, representatiu de la càrrega química total, i ‘factor 2’, representatiu del caràcter àcid-bàsic de la precipitació. Com mostra la figura 7, el ‘grup 2’ va quedar representat principalment en el vèrtex inferior esquerra del gràfic, i conté les mostres de baix contingut iònic i caràcter àcid. El ‘grup 3’, a la banda dreta del gràfic, inclou mostres de caràcter alcalí. El ‘grup 4’, al vèrtex superior esquerra, inclou mostres àcides i de contingut iònic alt. I el ‘grup 1’, que ocupa la part central del gràfic, inclou mostres de pH neutre i contingut iònic baix o mitjà.

Per comprovar la correspondència entre els grups obtinguts amb l’anàlisi estadística i les classes meteorològiques es van representar també, en els mateixos eixos, els episodis identificats a partir de la classificació meteorològica. S’obtingué que els episodis ‘africans’ corresponien bàsicament al ‘grup 3’, amb pH alt i concentracions altes, els episodis ‘marins’ corresponien al ‘grup 2’, moderadament àcids i amb concentracions diluïdes, els episodis ‘europeus’ corresponien al ‘grup 4’, amb pH baix i concentracions altes, sobretot per SO42-, NO3- i NH4+, i finalment, els episodis ‘locals’ presentaven una posició intermèdia que pot ser associada al ‘grup 1’ amb mostres de pH neutre i concentracions baixes.


Fig.7 Representació de les mostres a l’espai definit pels dos primers factors de l’anàlisi en components principals. Les mostres estan identificades per grups. Cercle: ‘grup 1’, quadrat: ‘grup 2’, romb: ‘grup 3’ i creu: ‘grup 4’.

A la taula 6 es pot comparar la distribució del episodis entre els grups i les classes meteorològiques. Les pluges ‘locals’ es troben preferentment en el ‘grup 1’, encara que també en el ‘grup 3’ i el ‘grup 4’. Per a les altres tres regions font, la correspondència és millor: la classe ‘marina’ es correspon preferentment amb el ‘grup 2’, la classe ‘africana’ amb el ‘grup 3’ i la classe ‘europea’ amb el ‘grup 4’.

Taula 6. Distribució de les mostres per a les dues classificacions

 

4.5 Tendència estacional

La classe ‘marina’ va ser la més freqüent, amb un 52% dels episodis, seguida de la ‘africana’ i la ‘local’, amb un 20% i 18%, respectivament. La ‘europea’ només va representar el 10% dels casos.

La major part dels episodis van tenir lloc en primavera i tardor (taula 7). La procedència ‘marina’ (bàsicament atlàntica), la més freqüent, va predominar en totes les estacions encara que sobretot a l’hivern (el 76% dels episodis ‘marins’ van ser durant aquesta estació). Durant l’estiu també van predominar els episodis ‘locals’. Les trajectòries ‘africanes’ es van distribuir per igual durant la primavera, l’estiu i la tardor (20-25%), però va disminuir molt a l’hivern. La majoria d’episodis de procedència ‘europea’ van tenir lloc durant l’estiu.

Taula 7. Percentatges estacionals segons la procedència.

 

Pot ser, el fet més rellevant va ser la tendència a una disminució en la freqüència dels episodis d’origen ‘europeu’ (figura 8). Durant els 5 primers anys del període d’estudi (1983-1988), la freqüència mitjana de les trajectòries ‘europees’ va ser del 14%, i els següents 5 anys (1989-1994) del 6%. En un treball previ (Avila, 1996) es va observar una disminució del 36% en el Montseny, en les concentracions de SO42-, i un augment del pH de 4.7 a 5.5, entre 1983 i 1994. Aquest fet s’havia interpretat com un resultat de les reduccions en un 30% de les emissions de SO2 en Europa durant la darrera dècada. Però la disminució dels fluxos de procedència Europea sobre la regió que trobem en aquest estudi, podria ser també una causa per a l’augment del pH i la disminució en la concentració de sulfats (SO42-).


Figura 8. Percentatges anuals de cada classe meteorològica per al període 1983-1994


5. Conclusions

En aquest treball s’ha determinat la composició química i les regions font per a 331 mostres de precipitació recollides en el Montseny durant un període de 11 anys. L’objectiu principal ha estat la identificació de les regions font per a la pluja àcida i per als contaminants en general que assoleixen la regió. Tècniques d’anàlisi multivariant han recolzat la classificació meteorològica de la procedència de la pluja feta inicialment. Aquesta classificació distingeix quatre procedències: 1) ‘marina’, 2) ‘local’, 3) ‘europea’, 4) ‘africana’. Cada classe es caracteritza per una composició química diferent amb concentracions creixents segons l’ordre indicat anteriorment, excepte per SO42-, NO3- i NH4+, que vàren tenir les concentracions més altes per a la classe ‘europea’. La pluja àcida va ser associada a precipitació d’origen ‘marí’ (pH mig de 4.8) i ‘europeu’ (pH mig de 4.4). Les pluges alcalines (pH mig de 7.2) es van relacionar amb trajectòries d’origen ‘africà’. Els episodis ‘locals’ van produir pluges neutres (pH mig de 5.5).

Les pluges de procedència ‘marina’ van representar el 52% del total, les ‘africanes’ i ‘locals’ el 20% i 18%, respectivament, mentre que les ‘europees’ el 10% dels casos. Durant el període es va observar una tendència decreixent en la freqüència de les pluges d’origen ‘europeu’.

Bibliografia

Alarcón, M. (1993) Simulació del transport atmosfèric a grans distàncies sobre el Mediterrani nordoccidental: models de trajectòria i processos de difusió-deposició. Tesi doctoral. Universitat de Barcelona.

Avila, A. (1996) Time trends in the precipitation chemistry at a montane site in Northeastern Spain for the period 1983-1994, Atmos. Environ., 30, 1363-1373.

Avila,A., Queralt-Mitjans, I. i Alarcón, M. (1997) Mineralogical composition of African dust delivered by red rains over northeastern Spain, J. Geophys. Res., 102, D18, 21977-21996.

Avila, A., Alarcón, M. i Queralt-Mitjans, I. (1998) The chemical composition of dust transported in red rains – Its contribution to the biogeochemical cycle of a holm oak forest in Catalonia (Spain), Atmos. Environ., 32, 179-191.

Clavero, P.L. i Raso, J.M. (1979) Catálogo de tipos sinópticos para un estudio climàtico del Este de la península Ibérica y Islas Baleares. Aportaciones en homenaje al geógrafo Salvador Llobet, Departamento de Geografía, 63-86.

Drablos, D. i Tollan (1980) Ecological impact of acid precipitation. Proceedings of an International Conference, NIVA, Oslo.

Hutchinson, T.C. i Havas, M. (1980) Effects of acid precipitation on terrestrial ecosystems. Plenum Press, New York.

Morales, C. (ed.) Saharan dust: mobilization, transport, deposition. Wiley and Sons. Chichester, 297 p. (1979).

Tethys > núm. 2 > articles > article 3