Metalli pesanti e POPs: simulazioni per lanno 2005 G. Calori, M. Costa, P. Radice, C. Silibello, M. Mircea MINNI (Modello Integrato Nazionale per la Qualità dellAria) Plenaria Marzo 2011, ENEA, Bologna

Verso … FARM OpenSource

Main features and developments: Emission of pollutants from area and point sources, with plume rise calculation and mass assignment to vertical grid cells 3D dispersion by advection and turbulent diffusion Transformation of chemical species by gas-phase chemistry, with flexible mechanism configuration (SAPRC-99, POPs-Hg) through KPP pre-processor (KPP, Kinetic Pre-Processor: Damian et al, 2002; Sandu et al., 2003; Daescu et al. 200). Treatment of PM 10 and PM 2.5 (aero0 inorganic equilibrium module, aero3 modal aerosol module) Dry removal of pollutants dependent on local meteorology and land-use Removal through precipitation scavenging processes One- and two-way nesting on arbitrary number of grids Treatment of additional inert tracers Parallel processing using OpenMP paradigm Inclusion of data assimilation techniques Online calculation of photolysis rates using TUV model (Tropospheric Ultraviolet and Visible radiation model; Madronich et al, 1989) Inclusion of map factors and different coordinate systems SW management and code optimization MPI parallelization (to be done) Flexible Air quality Regional Model (FARM)

Esigenze: Portabilità del codice su più piattaforme e su compilatori differenti; Controllo delle risorse a disposizione per una corretta configurazione del processo di compilazione ed installazione del software; Distribuzione di un semplice pacchetto contenente i sorgenti e gli script necessari per la semplice compilazione ed installazione del SW. Soluzione: Gnu Autotools semplificano il processo di compilazione, installazione ed aiutano a scrivere il codice sorgente maggiormente portabile (in gran parte) in modo automatico; Creazione semplificata dello script configure. Lo script configure testa le caratteristiche del sistema (compilatori, endian, librerie, ecc) e crea un appropriato Makefile; Il Makefile automatizza la compilazione dei sorgenti, l'installazione nelle appropriate directory e l'eventuale test di funzionalità degli eseguibili creati. Pacchettizzazione di FARM

Benefici: Porting su più piattaforme (Linux, AIX, Windows with Cygwin, Windows); Porting completo sui principali compilatori (GNU, PGI e INTEL e IBM); Differenti modalità di compilazione (Debug, Release, Optimized); Controllo e ricerca automatica delle dipendenze (librerie netCDF, MKL,OpenMP). Possibilità di creare 12 eseguibili differenti: Differenti meccanismi chimici (POPS-Hg, saprc99f); Differenti meccanismi di aerosol (aero0, aero3, aero0_POPS-Hg); Due risolutori (Rosenbrock, kpp_lsode); Compilazione seriale o parallela (OpenMP). Semplicità di utilizzo:./configure -with-chemmech=saprc99f –with-aeromech=aero3 --enable-omp=yes make make install Semplicità di creazione del pacchetto da distribuire: make dist (tar.gz) Controllo automatico della consistenza del pacchetto: make distcheck Pacchettizzazione di FARM

OpenMP: Parallelizzato circa il 94% del codice (profililing); SpeedUp reale in linea con lo SpeedUp Teorico; Ottima scalabilità fino a 24 core (su sistemi a memoria condivisa)- Parallelizzazione di FARM ove: F p = % del tempo parallelo, n = numero di core, T s = Tempo di esecuzione del codice seriale, T p = Tempo di esecuzione del codice parallelo

FARM è stato inserito in una infrastruttura di sviluppo nella quale è possibile accedere ad un repository centralizzato, pianificare le varie attività di sviluppo, risolvere i bug, rendere disponibile le varie versioni e verificare automaticamente la funzionalità dell'intero pacchetto. L'infrastruttura è composta da 4 principali strumenti interagenti fra loro: Trac: Project management and bug/issue tracking system Aiuta la collaborazione fra il team di sviluppatori a scrivere un buon software nell'intero processo di sviluppo del codice. Mediante Trac è possibile monitorare lo stato di avanzamento, la risoluzione dei bug, i compiti di ogni singolo sviluppatore ecc... SVN (Centralized Version Control System) WebDAV (Generic content repository) Repository documentale delle varie versioni rilasciate nel tempo. Hudson: Extensible Continuous Integration server Ogni qualvolta il codice sorgente viene modificato nel repository SVN, verifica in automatico la compilazione del pacchetto con le varie configurazioni possibili, verifica il programma utilizzando vari casi test e segnala eventuali errori riscontrati. Infrastruttura di sviluppo FARM

(

Infrastruttura di sviluppo FARM (

Implementazione parallela con MPI: In fase di sviluppo; Maggiore scalabilità su sistemi a memoria distribuita; Possibilità di aumentare il numero dei punti griglia (aumento della risoluzione spaziale). Integrazione parallela MPI + OpenMP: In fase di studio. Futuri sviluppi di FARM

POPs processes in the atmosphere Advection transport and turbulent diffusion Partitioning between the gaseous and particulate phase Wet and dry deposition (gaseous and particulate phase) to the underlying surfaces Degradation From: Gusev, A., Mantseva, E., Shatalov, V., Strukov, B. (2005). Regional Multicompartment Model MSCE-POP. EMEP/MSC-E Technical Report 5/2005.

Attività svolte 1.È stata aggiornata la versione del modello FARM che implementa il meccanismo chimico per il trattamento dei POPs nei seguenti punti: i singoli congeneri sono presenti sia nella fase gassosa che in quella particellare: nella versione precedente i diversi congeneri, nella fase particellare, erano aggregati in un unico composto. In questo modo viene calcolato più correttamente il partizionamento nelle due fasi dei diversi composti. Possibilità di calcolare le concentrazioni delle diossine e dei furani in tossicità equivalente anche per la fase particellare (sia per le concentrazioni che per i flussi di deposizione). inclusione dei processi di absorbimento (non trascurabile). 2.È stata effettuata una prima simulazione sul territorio nazionale; 3.È iniziata lelaborazione dei files forniti da MSC-E.

Aggiornamento del modello FARM (POPs-Hg)

ADSORPTION Junge- Pankow model (dominates when TSP is mainly of mineral origin) ABSORPTION Octanol-air partitioning (dominates when TSP contains organic material) The gas-particle partitioning coefficient K P [m 3 g -1 ] is defined as follows: K P = C P / (C G · TSP) where TSP is the concentration of suspended particulate material [ g m -3 ], C P and C G respectively the particulate-associated and gaseous concentration of a given semi-volatile organic chemical (SOC) [ng m -3 ]. Gas/particle partitioning

PAH partitioning between the gaseous and particulate phase is performed using the Junge-Pankow model [Junge, 1977; Pankow, 1987]. The PAH fraction adsorbed on tropospheric aerosol particles equals to: ADS = C P / (C G + C P )= c· / (p OL + c· ) where: c is the constant depending on the thermodynamic parameters of the adsorption process and on the properties of aerosol particle surface; it is assumed c=0.17 Pa·m [Junge, 1977] for background aerosol; θ is the specific surface of aerosol particles, m 2 /m 3 ; p OL is the subcooled liquid vapour pressure (Pa). POPs processes Gas/particle partitioning/adsorption

Pankow [1994] has proposed that absorption of gas-phase compounds into an organic film coating particles gives an important contribution to the overall particle-gas partitioning processes. The octanol-air partition coefficient K OA is a valuable direct descriptor of SOCs volatility. The relation of K P to K OA is (Finizio et al., 1997): K P K OA f om / OCT where f om is the fraction of the particle mass that consist of absorbing organic matter and OCT is the density of octanol (820 kg m -3 ). The fraction absorbed on tropospheric aerosol particles is given by: ABS = C P / (C G + C P )= K P · TSP / (1 + K P · TSP) POPs processes Gas/particle partitioning/absorption

Caratteristiche della simulazione: anno 2005 emissioni solo da sorgenti nazionali condizioni al contorno nulle Run preliminare metalli pesanti e POPs

Input emissivo MINNI2005 Metalli, IPA, Diossine e Furani

Metalli (kg) Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale

Metalli (kg) Confronto totali : ISPRA2005 vs EMEP 2005 Grazie alle informazioni provenienti dal database EMEP sarà possibile assegnare correttamente la parte gassosa e quella elementare alle emissioni di mercurio

IPA (kg) Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale

Speciazione IPA 1° problema: quali sono gli IPA considerati? dalle comunicazioni con si ipotizza che questi siano gli IPA considerati nellinventario APAT. indeno[123-cd]pyrene (I_P) benzo[k]fluoranthene (B[k]F), benzo[a]pyrene (B[a]P) benzo[b]fluoranthene (B[b]F), 2° problema: come definire i profili di emissione per tipologia di sorgente? Fonti principali usate per questo run. Emission Inventory Guidebook (2009), usato per i profili delle emissioni da sorgenti di tipo industriale, da combustione residenziali, di altri trasporti ed incendi; Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere, Pitts (1999), da cui sono state prese informazioni più generiche, basate cioè sulla presenza dei diversi composti in atmosfera in area urbana; questi dati sono stati utilizzata in mancanza di ulteriori informazioni, per lincenerimento dei rifiuti; COPERT III, usato per le emissioni da traffico. Sviluppi: Grazie ai dati EMEP ora in nostro possesso si ipotizza una migliore conoscenza ed un raffinamento dei profili utilizzati.

Speciazione IPA Confronto totali (anno 2005): ISPRA vs EMEP vs TNO

Diossine e Furani (g-teq) Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale

Speciazione diossine-furani 1° problema: quali sono le diossine ed i furani considerati? Meno facile rispetto a quanto fatto per gli IPA;in base ai dati disponibili si è valutato di volta in volta il da farsi. 2° problema: come definire i profili di emissione per tipologia di sorgente? Fonti principali. Istituto Superiore di Sanità; EPA; Sources and Fates of Polychlorinated Dibenzo-p-dioxins, Dibenzofurans and Biphenyls: The Budget and Source Inventory Approach - Stuart J.Harrad Fingerprints of dioxin from thermal industrial processes - A. Buekens, E. Cornelis, H. Huang, T. Dewettinck (2000); Dioxins emissions from bushfires in Australia - Technical report No. 1; COPERT III, usato per le emissioni da traffico. Sviluppi: Grazie ai dati EMEP ora in nostro possesso si ipotizza una migliore conoscenza ed un raffinamento dei profili utilizzati.

Primi risultati simulazioni (anno di riferimento 2005)

Pb Confronto concentrazioni medie annuali (2005) EMEP-MSC-EFARM

EMEP (2008) MINNI (2005) Concentrazioni medie annuali di Cd in aria

EMEP (2008) MINNI (2005) Concentrazioni medie annuali di Hg in aria

EMEP (2008) MINNI (2005) Concentrazioni medie annuali di B[a]P in aria

EMEP (2008) MINNI (2005) Concentrazioni medie annuali di diossine e furani in aria

Misure (BRACE) vs stime modellistiche ?!?

Elaborazione files MSC-E Binary to NetCDF (IC/BC), concentrazioni medie annuali

B[b]F Griglia EMEP ritagliata

Griglia FARM per MINNI B[b]F

Attività da effettuare 1.Armonizzazione degli inventari ISPRA, EMEP e TNO. Eventuali approfondimenti sui profili di speciazione dei POPs; 2.Preparazione delle IC/BC utilizzando i campi 3D esaorari forniti da EMEP MSC-E, Integrazione con gli analoghi campi forniti da MSC-W relativamente ai macrainquinanti (sia per le IC/BC che per i campi di background); 3.Esecuzione del run 2005 definitivo; 4.Ricerca di ulteriori informazioni sperimentali (concentrazioni in aria / deposizioni) per una migliore valutazione delle prestazioni del sistema modellistico.

Primi confronti - TNO vs ISPRA (anno di riferimento 2000)

PAHs Inventories Comparison (kg/year, reference year 2000)

PAHs Inventories Comparison (kg/year, reference year 2000)

PAHs Inventories Comparison (kg/year, reference year 2000)

PAHs Inventories Comparison (kg/year, reference year 2000)

Pb Griglia EMEP ritagliata

Griglia FARM per MINNI Pb