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Modelli numerici per lo studio della dispersione di inquinanti in atmosfera STEFANO ALESSANDRINI Gruppo modellistica atmosferica CESI.

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Presentazione sul tema: "Modelli numerici per lo studio della dispersione di inquinanti in atmosfera STEFANO ALESSANDRINI Gruppo modellistica atmosferica CESI."— Transcript della presentazione:

1 Modelli numerici per lo studio della dispersione di inquinanti in atmosfera STEFANO ALESSANDRINI Gruppo modellistica atmosferica CESI

2 INDICE zPresentazione delle attività del gruppo di modellistica dellatmosfera del CESI ztipologie di modelli utilizzati zdescrizione di 3 modelli con alcuni esempi di applicazione

3 Le nostre attività zAttività di ricerca finanziate dal Ministero del Tesoro zAttività per terzi (Valutazioni di impatto ambientale di centrali elettriche) zIl gruppo di modellistica atmosferica comprende 7 persone orientate verso le varie tipologie di modelli e attività z20 anni di esperienza in questo settore

4 Cosa è un modello di dispersione? zData una emissione di una certa sostanza in atmosfera (boundary layer) calcola le concentrazioni di questa sostanza nei punti dello spazio circostanti zLo scopo di una simulazione modellistica può essere quello di un confronto delle concentrazioni calcolate con quelle di riferimento della normativa di legge oppure di verificare limpatto di una variazione dello scenario emissivo (ad es. modifiche di un impianto di generazione o flussi di traffico)

5 Tipologie di modelli utilizzate al CESI zModelli euleriani (STEM, CAM X ) di chimica e trasporto, sorgenti puntuali o diffuse, risoluzione orizzontale max 1 Km in orizzontale zModelli gaussiani (ISC3ST) sorgenti puntuali o diffuse dominio di calcolo 25x25 Km 2, risoluzione orizzontale max 100 m zModelli lagrangiani a particelle (SPRAY), sorgenti puntuali o diffuse dominio di calcolo 25x25 Km 2, risoluzione orizzontale max 100 m

6 Modelli di chimica e trasporto zFinalizzati alla ricostruzione dellinquinamento secondario: Ozono troposferico, Particolato, deposizioni acide zModelli euleriani tridimensionali a griglia zSono in grado di ricostruire i seguenti processi: yEmissioni da sorgenti areali e puntuali yTrasporto e diffusione turbolenta yTrasformazioni chimiche (fase gas e fase aerosol) ydeposizione secca e umida zInquinanti considerati: yNO X, O 3, VOC, HNO 3, SO 2, H 2 SO 4, NH 3, PPM

7 Modelli di chimica e trasporto zDomini di calcolo yOrizzontale: km con risoluzione da 1 a 100 km yVerticale: m con risoluzione crescente ( m) zAspetti numerici yIntegrazione eq. chimiche: circa 80% delle risorse di calcolo yFase gas: schemi espliciti/impliciti in funzione della reattività yFase aerosol: ottimizzazioni per il calcolo dellequilibrio termodinamico (stato di equilibrio che minimizza lenergia libera)

8 Sistema modellistico Dati orografici e territoriali Campi meteorologici ECMWF Misure Meteorologiche al suolo e di profilo Processore METEOROLOGICO CALMET o RAMS Modello di CHIMICA e TRASPORTO Concentrazioni modello EMEP BOUNDY Condizioni al contorno Concentrazioni degli inquinanti Processore delle EMISSIONI Inventari delle emissioni Campi emissivi Indicatori di attività Campi meteorologici Misure di Qualità dellaria

9 Esempi di casi studio - progetto CITYDELTA O 3 - Media apr/sett 1999 PM10 - Media annuale 1999

10 Esempi di casi studio - progetto CITYDELTA zCaratteristiche della simulazione yCodice utilizzato: CAMx (Environ U.S.A.) yCalcolatore: 1 PC Linux (2.2 Ghz con 640 Mb di memoria RAM) yCompilatore: Portland per Fortran 77 yParallelizzazione: no yModalità di simulazione: su base giornaliera con restart yTime step xtrasporto orizzontale: 1-5 minuti xchimica: inferiore al minuto yTempo macchina x 1 giorno di simulazione: 1h 30 x 1 anno di simulazione: circa 22 giorni

11 Il modello gaussiano ISC3ST zNecessita di un input meteorologico orario che comprende (velocità e direzione del vento, temperatura dellaria, classe di stabilità) zRisolve una equazione del tipo:

12 Il modello gaussiano ISC3ST zPregi xfacile utilizzo (rivolto anche ad utenti poco esperti) xinput meteorologico semplice xrun molto veloci (poche ore di calcolo su un singolo processore Pentium 2.2 Ghz per 3-4 anni di simulazione) xconsente di confrontarsi con i limiti di legge (percentili e medie annuali) zDifetti xsovrastima delle concentrazioni specie in presenza di orografia complessa (lorografia viene introdotta solo dando diverse altezze ai recettori) xnon applicabile in situazioni poco stazionarie (regimi di brezza in presenza, ad esempio, dellinterfaccia terra-mare) o con forti disomogeneità spaziali (stratificazione verticali) xogni ora di simulata non tiene conto del passato

13 Simulazione di lungo periodo: ISCST3 Confronto con la normativa

14 Esempi di applicazione Disposizione recettoriMappa del 99.8 percentile di NO 2

15 Il modello di calcolo SPRAY zModello lagrangiano a particelle per terreno complesso zLa dispersione degli inquinanti viene ricostruita schematizzando l'emissione attraverso un insieme di unità di piccolissime dimensioni di massa nota zOgni particella segue una diversa realizzazione (evoluzione) del flusso turbolento

16 Il modello SPRAY zFinalizzato alla ricostruzione dellinquinamento primario in condizioni disomogenee (ad es. regimi di brezza) zE in grado di considerare sorgenti puntali, lineari (strade) o areali anche con emissioni discontinue nel tempo zil dominio considerato solitamente è 25x25 Km 2 ma non vi è un limite superiore alle dimensioni del dominio zla risoluzione orizzontale del campo delle concentrazioni è di circa 100m, può diminuire emettendo un numero maggiore di particelle, si calcola:

17 Il modello di calcolo SPRAY zBasato su 3 equazioni di Langevin per le velocità casuali (Thomson 1987) zU è la velocità media del vento zè il termine deterministico che dipende da P E (x,u) zè il termine stocastico dove dW(t) è un processo incrementale di Wiener, dt ( numero casuale media zero e varianza 1) zsi assume P E (x,u) gaussiana perle componenti orizzontali, e non gaussiana verticalmente, per tenere conto delle disomogeneità verticali e della convezione

18 Il modello SPRAY: schema di funzionamento CROMET FILE TURKEY SPRAY code 3D METEO +TURBULENCE EMISSIONI RUN PARAMETERS CONCENTRATION FILE PARTICLE FILE 3D WIND FIELD Campo di vento 3D 2D LAND USE Campo di vento e turbolenza prognostico RAMS+ MIRS

19 Campo di vento e turbolenza: 2 approcci Diagnostico Minerve+Turkey Prognostico RAMS-MIRS

20 Esempio di simulazione Campo di vento Campo di concentrazioni Particelle

21 Il modello SPRAY zPregi xsimula condizioni disomogenee e convettive xpuò considerare qualsiasi tipo di forma e dimensioni della sorgente di inquinante xè facilmente parallelizzabile con alta efficienza, ogni particella si muove indipendentemente dalle altre zDifetti xtempi di calcolo elevati xrisulta complicato effettuare delle simulazioni di lungo periodo xnon considera le reazioni chimiche degli inquinanti emessi xrichiede un input meteorologico accurato

22 Il modello Spray: alcuni dettagli zcodice Fortran 90/77 zcompilatore Portland per LINUX zTempi di calcolo: 90% utilizzato per spostare le particelle quindi la durata di una simulazione dipende soprattutto dal numero di sorgenti (particelle emesse) zSolitamente per una sorgente puntuale (camino di un impianto di generazione) su un PC Pentium 2,2 Ghz 1 giorno di simulazione 6 ore di calcolo (1 anno 90 giorni) zLa durata di una simulazione su un cluster di 7 Pc Linux è 1/7 vista lalta efficienza di parallelizzazione

23 Spray: sviluppi futuri zParallelizzazione effettiva usando le librerie MPI (implementate su Linux con il pacchetto free Mpich) zalgoritmi di deposizione secca e umida zreazioni chimiche per gli inquinanti primari (modelli 2 particelle, accoppiamento con un euleriano semplice)


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