STEFANO ALESSANDRINI Gruppo modellistica atmosferica CESI

Presentazione sul tema: "STEFANO ALESSANDRINI Gruppo modellistica atmosferica CESI"— Transcript della presentazione:

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

2 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

3 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

4 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)

5 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

6 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

7 Modelli di chimica e trasporto
Domini di calcolo Orizzontale: km con risoluzione da 1 a 100 km Verticale: m con risoluzione crescente ( 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)

8 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

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

10 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

11 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:

12 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”

13 Simulazione di lungo periodo: ISCST3
Confronto con la normativa

14 Esempi di applicazione
Disposizione recettori Mappa del 99.8 percentile di NO2

15 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

16 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:

17 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

18 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

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 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

22 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

23 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)