Strumenti avanzati per la valutazione e gestione della qualità dell’aria La modellistica a supporto della pianificazione e gestione della qualità dell'aria Ferrara 28 settembre 2006 Marco Deserti, Michele Stortini,Enrico Minguzzi, Giovanni Bonafè, Suzanne Jongen ARPA-SIM, Area Meteorologia Ambientale

Parte prima: Il sistema modellistico NINFA per la valutazione e la previsione della qualità dell’aria a vasta scala e a scala regionale

CONDIZIONI al CONTORNO: Il sistema NINFA Network dell’Italia del Nord per la Fotochimica e l’Aerosol Northern Italian Network to Forecast photochemical and Aerosol pollution Multiscalarità Multiprocesso Multiscopo Codice aperto (CHIMERE) Operatività Accessibilità dei dati Corse giornaliere su work station Linux. Inizio 4:00 GMT, output 09:00 GMT. Simulazioni scenari su multiprocessore 6 nodi, 70’ CPU/giorno Costruzione interfaccia CHIMERE - LAMI Aggiunto modulo per sorgenti puntuali I campi meteo da LAMI con ciclo di assimilazione dei dati osservati (LAMA) sono utilizzati per le analisi di scenario. Previsioni pubblicate ogni giorno su WEB Possibilità di distribuire campi numerici NRT METEO: LAMI/LAMA CHIMERE EMISSIONI CTN_ACE CONDIZIONI al CONTORNO: (Prev'air) OUTPUT: O3, NO2, PM10, (SO2……..) USO del SUOLO: CORINE2000+GLC2000 ArpaRivista, n.4 lug-ago 2005 scaricabile da www.arpa.emr.it/arparivista/

NINFA: dalla scala continentale alla scala urbana I risultati di NINFA sono rappresentativi dell’inquinamento presente nelle zone rurali e nei grandi agglomerati urbani NINFA: dalla scala continentale alla scala urbana Modello urbano (ADMS Urban) Prev’air (Chimere-continentale 0.5°*0.5°) NINFA (ER-Chimere-regionale) 10km*10km (5km*5km)

NINFA (ER-Chimere-regional-Po valley domain) Previsioni quotidiane Ozono, PM10 valutazione della qualità dell’aria Analisi di scenario Prev’air (Chimere-continental-Europe-domain) Boundary conditions from Prev’Air NINFA (ER-Chimere-regional-Po valley domain) Input meteo LAMI-SIM CORINAIR 2000 (COVN ton/anno)

http://www.arpa.emr.it/sim/

http://www.arpa.emr.it/sim/

http://www.arpa.emr.it/sim/

Valutazione annuale con NINFA: Ozono O3: concentrazione media diurna (ppb) numero di giorni in cui la media 8h ha superato 120 mg/m3 Simulazione con NINFA di Ozono, estate 2003 (aprile –settembre) Concentrazione media diurna simulata (a sinistra) Numero di giorni con media su 8 ore superiore al livello di protezione della salute umana (120 mg/m3) (a destra) . Valutazione annuale con NINFA: Ozono

Valutazione annuale con NINFA:Ozono La valutazione annuale mostra che il massimo numero di superamenti del valore obiettivo per la protezione della salute umana di ozono(120 μg/m3 massima media di 8-ore durante il giorno) sono localizzati nella regione sub alpina e nella pianura. Il massimo numero di superamenti (più di 120 all’anno) si verifica attorno ai principali agglomerati urbani di Milano e Torino. Nella Regione Emilia Romagna i valori massimi si verificano nella pianura interna, con più di 100 superamenti per anno, con una progressiva diminuzione spostandosi verso l’Appennino dove si passa a 60-80 superamenti anno. Nelle pianura vi sono valori diurni più elevati, mentre in collina e montagna si hanno valori meno elevati di giorno ma più persistenti di notte. Valutazione annuale con NINFA:Ozono

Valutazione annuale con NINFA:PM10 PM10: concentrazione media semestre estivo (mg/m3) PM10: concentrazione media semestre invernale (mg/m3) Simulazione con NINFA di PM10, anno 2003 - 2004 Concentrazione media semestre estivo (aprile – settembre) a sinistra Concentrazione media semestre invernale (ottobre – marzo) a destra (Valore limite annuale 40 mg/m3) Valutazione annuale con NINFA:PM10

Valutazione annuale con NINFA:PM10 La concentrazione di fondo media annuale di PM10 simulata è massima in pianura, nell’area compresa tra le regione sub alpina occidentale fino alla costa adriatica nord-orientale (20-25 μg/m3 ). In Emilia Romagna i valori massimi simulati sono nella pianura interna (18-20 μg/m3 di concentrazione di fondo), anche in questo caso con una diminuzione verso l’Appennino e la costa. Lo studio della variazione stagionale evidenzia valori di PM10 non trascurabili anche in estate, con una presenza generale su tutta l’area di PM secondario di origine fotochimica. Valutazione annuale con NINFA:PM10

Verifica e “validazione” di NINFA NINFA è stato accuratamente verificato con i dati delle stazioni rurali e sub urbane presenti nella pianura padana e di campagne sperimentali (come quella del progetto PolveRE, caratterizzazione chimico-fisica del particolato in Emilia Romagna. I risultati sono rappresentativi dell’inquinamento presente nelle zone rurali e nei grandi agglomerati urbani. Verifica e “validazione” di NINFA

La VALIDAZIONE di NINFA Le stazioni usate per la verifica di NINFA Fonte: APAT- CTN-ACE 2004 La VALIDAZIONE di NINFA

La VERIFICA del sistema NINFA Sottostima nelle medie annuali, in particolare nelle stazioni che sono più influenzate dalle emissioni locali che non possono essere risolte con un modello a scala nazionale/regionale. Gli errori sono nella maggioranza dei casi all’interno degli standard di qualità modellistica previsti dal DM60/2002. L’indice di correlazione delle medie giornaliere è soddisfacente evidenziando che NINFA è in grado di riprodurre le variazione nel tempo del PM10. La VERIFICA del sistema NINFA

La VERIFICA del sistema NINFA Buon accordo con le osservazioni nei valori medi e nel numero di superamenti dei valori obiettivo per la protezione della salute umana di ozono (120 μg/m3 massima media di 8-ore durante il giorno) La VERIFICA del sistema NINFA

Confronto tra la distribuzione dimensionale di PM10 simulata da NINFA e quella misurata nell’ambito del progetto PolveRE Buon accordo nella ripartizione granulometrica. Circa il 40% del PM10 è formato da particolato al di sotto di 0.6 micron!!! Distribuzione dimensionale del particolato a Bologna (media annuale)

Composizione PM10 a Bologna Confronto tra la composizione di PM10 simulata da NINFA e quella misurata a Bologna * * Dati CNR-ISAC (S.Fuzzi, C. Facchini) Buon accordo nella composizione chimica per le specie inorganiche (nitrati, ammonio, solfati). Il PM10 secondario è il 50-60% del PM10 totale!!! Composizione PM10 a Bologna

NINFA produce previsioni quotidiane di qualità dell’aria disponibili sul WEB (www.arpa.emr.it/sim). NINFA è stato usato per eseguire una valutazione della qualità dell’aria sulla pianura padana, una delle zone più intensamente inquinate in Europa. La verifica di NINFA ha messo in evidenza una buona correlazione con i dati della rete e la capacità del sistema di descrivere i principali processi fisico chimici che portano alla formazione, al trasporto ed alla diffusione del PM10 e dell’Ozono. Prime conclusioni

Piani/programmi di miglioramento della qualità dell’aria Le domande a cui deve rispondere il piano di miglioramento della qualità dell’aria Quali sono le zone e gli agglomerati con i maggiori livelli di inquinamento? Quali sono le fonti inquinanti maggiormente responsabili dell’inquinamento di queste aree? Quale è il peso degli inquinanti secondari? Vi è trasporto di inquinanti da altre zone? Vi sono cause “naturali” dell’inquinamento? È possibile ridurre l’inquinamento in queste aree? Di quanto è necessario ridurre le emissioni inquinanti? Quali fonti inquinanti è più necessario/utile ridurre? Attraverso quali azioni ? Quanto devono essere estese le azioni di riduzione? Che tempi sono necessari? Quanto costa? Piani/programmi di miglioramento della qualità dell’aria

NINFA può essere utilizzato per la redazione di piani/programmi di miglioramento della qualità dell’aria, consentendo di valutare le varie opzioni per la riduzione dell’inquinamento e prevederne i benefici in termini di miglioramento della qualità dell’aria. Per esemplificare la capacità del sistema di valutare scenari futuri di inquinamento sono stati preparati alcuni esempi che mostrano come: la concentrazione di ozono e PM10 non diminuisce proporzionalmente alla diminuzione delle emissioni di precursori sia possibile quantificare l’entità degli inquinanti trasportati in Emilia Romagna dalle regioni vicine. Piani/programmi

(*) Current Legislation Emission 2020 fonte EMEP Scenari: emissioni Emissioni di PM10, totale annuale: caso base (sinistra) e scenario “CLE2020 (*)” (destra) (*) Current Legislation Emission 2020 fonte EMEP

Scenari: CLE 2020, Ozono Ozono, numero di giorni con media su 8 ore > 60 ppb, caso base (sinistra) e scenario CLE (destra) Riduzione delle emissioni di NOx del 51% e dei VOC del 46% sull’intero dominio La media diurna (estiva) dell’ozono cala del 5% Il numero di superamenti della soglia 120 g/m3 cala del 15%

Scenari: CLE 2020, PM10 PM10, concentrazione media annuale, caso base (sinistra) e scenario CLE (destra) Riduzione delle emissioni di NOx del 51% e di PM10 del 47% sull’intero dominio La media annuale del PM10 nelle zone rurali cala del 20% (fino al 30% nelle aree urbane)

Scenari: Emilia Romagna zero, Ozono Ozono, numero di giorni con media su 8 ore > 60 ppb, caso base (sinistra) e scenario EMR zero (destra) Emissioni zero in Emilia Romagna, (riduzione delle emissioni totali sul dominio del 13%) Il numero di superamenti della soglia 120 g/m3 cala (a Bologna) del 15%. La media diurna (estiva) dell’ozono rimane sostanzialmente invariata (nessuna variazione nelle aree urbane, -3% nelle zone rurali della Romagna).

Scenari: Emilia Romagna zero, PM10 PM10, concentrazione media annuale, caso base (sinistra) e scenario EMR zero (destra) Emissioni zero in Emilia Romagna, (riduzione delle emissioni totali sul dominio del 13%) La media annuale del PM10 (lontano dai confini regionali) cala del 30-40%

Possibili utilizzi di NINFA Parte seconda Dalla scala nazionale/regionale alla scala locale/provinciale Possibili utilizzi di NINFA Esempi dimostrativi

È disponibile una versione ad alta risoluzione (5 È disponibile una versione ad alta risoluzione (5*5 km) di NINFA su Emilia Romagna, annidata all’interno del dominio Nord Italia NINFA a 5 km risoluzione

Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004 Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni zero delle centrali elettriche. Una valutazione d’impatto deve essere fatta su base annuale. Le cose possono cambiare considerando periodi diversi!!!!!! NO2, concentrazioni medie, ppb, caso base (sinistra) e scenario senza centrali (destra) Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004

Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004 Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni zero delle centrali elettriche Differenze delle concentrazioni medie NO2, ppb (sinistra), Differenze delle concentrazioni orarie NO2, ppb (destra) In questo esempio dimostrativo le differenze sono mediamente inferiori a 3-4 ppb (10% circa).Si notano i pennacchi emessi dai camini, l’impatto è evidente anche a notevole distanza Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004

Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004 Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni zero delle centrali elettriche PM10, concentrazioni medie mg/m3, caso base (sinistra) e scenario senza centrali (destra) Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004

Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004 Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni zero delle centrali elettriche differenze delle concentrazioni medie di PM10, mg/m3, (sinistra) differenze percentuali delle concentrazioni medie (destra) In questo esempio dimostrativo le differenze sono mediamente piccole 1-2 mg/m3, (3-4% circa) Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004

NINFA viene impiegato per analizzare e prevedere quotidianamente la qualità dell’aria in tutto il territorio, valutando l’eventuale inquinamento anche delle zone dove non sono presenti stazioni di monitoraggio. NINFA viene utilizzato per una valutazione di vari scenari futuri di inquinamento in Emilia Romagna e nella pianura padana. NINFA può essere usato per una valutazione dell’impatto a larga scala degli inquinanti primari e secondari emessi da grandi impianti (centrali elettriche, termovalorizzatori, ecc.) Conclusioni

Una proposta di lavoro per lo studio della qualità dell’aria nella provincia di Ferrara

Ipotesi di lavoro Nella Pianura padana (e a Ferrara) la concentrazione di inquinanti secondari (Ozono e PM10/2.5 NO2) dipende principalmente da processi atmosferici ad ampia scala (trasporto di precursori emessi anche a grande distanza che interagiscono con le sorgenti locali) La concentrazione di inquinanti primari (SOx, NOx, NH3, microinquinanti, ecc..) in prossimità delle sorgenti è maggiormente influenzata dalla intensità e dalla distribuzione delle emissioni e dalle condizioni meteorologiche locali. Queste ipotesi, generalmente condivise nel mondo scientifico, sono state verificate e dimostrate in molte occasioni

Eseguire una macroanalisi mediante il modello chimico di trasporto e dispersione NINFA per individuare le aree maggiormente critiche sulla provincia di Ferrara A) per gli inquinanti primari/precursori (NOX,SOX, COV, NH3) B) per gli inquinanti secondari (O3 e PM10-2.5) Condurre uno studio a piccola scala (dominio di circa 20*20km2 passo 500 m) mediante un modello “non chimico” (ADMS-Urban) per studiare in dettaglio l’impatto degli inquinanti primari (con dati meteo locali e specifici) Eseguire eventuali campagne di verifica mediante laboratorio mobile e stazione meteorologica mobile nelle aree maggiormente critiche. La proposta di ARPA