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

INDICE Presentazione delle attività del gruppo di modellistica dell’atmosfera del CESI tipologie di modelli utilizzati descrizione di 3 modelli con alcuni esempi di applicazione

Le nostre attività Attività di ricerca finanziate dal Ministero del Tesoro Attività per terzi (Valutazioni di impatto ambientale di centrali elettriche) Il gruppo di modellistica atmosferica comprende 7 persone orientate verso le varie tipologie di modelli e attività 20 anni di esperienza in questo settore

Cosa è un modello di dispersione? Data una emissione di una certa sostanza in atmosfera (boundary layer) calcola le concentrazioni di questa sostanza nei punti dello spazio circostanti Lo 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 l’impatto di una variazione dello scenario emissivo (ad es. modifiche di un impianto di generazione o flussi di traffico)

Tipologie di modelli utilizzate al CESI Modelli euleriani (STEM, CAMX) di chimica e trasporto, sorgenti puntuali o diffuse, risoluzione orizzontale max  1 Km in orizzontale Modelli gaussiani (ISC3ST) sorgenti puntuali o diffuse dominio di calcolo  25x25 Km2, risoluzione orizzontale max  100 m Modelli lagrangiani a particelle (SPRAY), sorgenti puntuali o diffuse dominio di calcolo  25x25 Km2, risoluzione orizzontale max  100 m

Modelli di chimica e trasporto Finalizzati alla ricostruzione dell’inquinamento secondario: Ozono troposferico, Particolato, deposizioni acide Modelli euleriani tridimensionali a griglia Sono in grado di ricostruire i seguenti processi: Emissioni da sorgenti areali e puntuali Trasporto e diffusione turbolenta Trasformazioni chimiche (fase gas e fase aerosol) deposizione secca e umida Inquinanti considerati: NOX, O3, VOC, HNO3, SO2, H2SO4, NH3, PPM

Modelli di chimica e trasporto Domini di calcolo Orizzontale: 200-2000 km con risoluzione da 1 a 100 km Verticale: 5000-10000 m con risoluzione crescente (30-1000 m) Aspetti numerici Integrazione eq. chimiche: circa 80% delle risorse di calcolo Fase gas: schemi espliciti/impliciti in funzione della reattività Fase aerosol: ottimizzazioni per il calcolo dell’equilibrio termodinamico (stato di equilibrio che minimizza l’energia libera)

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

Esempi di casi studio - progetto CITYDELTA O3 - Media apr/sett 1999 PM10 - Media annuale 1999

Esempi di casi studio - progetto CITYDELTA Caratteristiche della simulazione Codice utilizzato: CAMx (Environ U.S.A.) Calcolatore: 1 PC Linux (2.2 Ghz con 640 Mb di memoria RAM) Compilatore: Portland per Fortran 77 Parallelizzazione: no Modalità di simulazione: su base giornaliera con restart Time step trasporto orizzontale: 1-5 minuti chimica: inferiore al minuto Tempo macchina 1 giorno di simulazione: 1h 30’ 1 anno di simulazione: circa 22 giorni

Il modello gaussiano ISC3ST Necessita di un input meteorologico orario che comprende (velocità e direzione del vento, temperatura dell’aria, classe di stabilità) Risolve una equazione del tipo:

Il modello gaussiano ISC3ST Pregi facile utilizzo (rivolto anche ad utenti “poco esperti”) input meteorologico semplice run molto veloci (poche ore di calcolo su un singolo processore Pentium 2.2 Ghz per 3-4 anni di simulazione) consente di confrontarsi con i limiti di legge (percentili e medie annuali) Difetti sovrastima delle concentrazioni specie in presenza di orografia complessa (l’orografia viene introdotta solo dando diverse altezze ai recettori) non applicabile in situazioni poco stazionarie (regimi di brezza in presenza, ad esempio, dell’interfaccia terra-mare) o con forti disomogeneità spaziali (stratificazione verticali) ogni ora di simulata non tiene conto del “passato”

Simulazione di lungo periodo: ISCST3 Confronto con la normativa

Esempi di applicazione Disposizione recettori Mappa del 99.8 percentile di NO2

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

Il modello SPRAY Finalizzato alla ricostruzione dell’inquinamento primario in condizioni disomogenee (ad es. regimi di brezza) E’ in grado di considerare sorgenti puntali, lineari (strade) o areali anche con emissioni discontinue nel tempo il dominio considerato solitamente è  25x25 Km2 ma non vi è un limite superiore alle dimensioni del dominio la risoluzione orizzontale del campo delle concentrazioni è di circa 100m, può diminuire emettendo un numero maggiore di particelle, si calcola:

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

Il modello SPRAY: schema di funzionamento Temperatura e Radiazione netta 5 10 15 20 25 30 35 1 2 3 4 6 7 8 9 11 12 13 14 16 17 18 19 21 22 23 24 ore °C -100 100 200 300 400 500 600 W/m2 Temperatura Net Radiation 2D LAND USE CROMET FILE 2D LAND USE CROMET FILE Campo di vento 3D 3D WIND FIELD Campo di vento e turbolenza prognostico RAMS+ MIRS EMISSIONI TURKEY RUN SPRAY code 3D METEO PARAMETERS +TURBULENCE CONCENTRATION CONCENTRATION FILE PARTICLE FILE

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

Esempio di simulazione Campo di vento Campo di concentrazioni Particelle

Il modello SPRAY Pregi Difetti simula condizioni disomogenee e convettive può considerare qualsiasi tipo di forma e dimensioni della sorgente di inquinante è “facilmente” parallelizzabile con alta efficienza, ogni particella si muove indipendentemente dalle altre Difetti tempi di calcolo elevati risulta complicato effettuare delle simulazioni di lungo periodo non considera le reazioni chimiche degli inquinanti emessi richiede un input meteorologico accurato

Il modello Spray: alcuni dettagli codice Fortran 90/77 compilatore Portland per LINUX Tempi di calcolo: 90% utilizzato per spostare le particelle quindi la durata di una simulazione dipende soprattutto dal numero di sorgenti (particelle emesse) Solitamente 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) La durata di una simulazione su un cluster di 7 Pc Linux è  1/7 vista l’alta efficienza di parallelizzazione

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