SSPT-MET-INAT
DIPARTIMENTO SOSTENIBILITA’ DEI SISTEMI PRODUTTIVI E TERRITORIALI
Divisione Modelli e tecnologie per la riduzione degli impatti antropici e dei rischi naturali
Laboratorio inquinamento atmosferico
MODELLISTICA DI QUALITA’ DELL’ARIA
L’APPROCCIO E GLI STRUMENTI DI ENEA PER LE
DIVERSE RISOLUZIONI SPAZIALI NECESSARIE ALLE
VALUTAZIONI DI IMPATTO
Monitoraggio e controllo polveri industriali
Roma, 11 novembre 2015
CHI SIAMO
DIPARTIMENTO SOSTENIBILITÀ DEI SISTEMI PRODUTTIVI E TERRITORIALI
GABRIELE ZANINI
responsabile Divisione Modelli e tecnologie per la riduzione degli impatti antropici e
dei rischi naturali
LUISELLA CIANCARELLA
responsabile Laboratorio Inquinamento Atmosferico
SEDE BOLOGNA
Mario Adani, Massimo Berico, Gino Briganti *, Andrea Cappelletti,
Giuseppe Cremona, Massimo D’Isidoro, Antonella Malaguti , Teresa La Torretta,
Mihaela Mircea, Roberto Nuzzi, Antonio Piersanti, Gaia Righini, Lina Vitali
Felicita Russo, Milena Stracquadanio
TD
Alessandra Ciucci, Ettore Petralia, Chiara Telloli
Assegni di ricerca
SEDI ROMA
Ilaria D’Elia, Giovanni Vialetto, Alessandra De Marco, Pasquale Fedele,
Giovanni Grandoni, Mariacristina Mammarella, Simonetta Pasqualini,
Pasquale Spezzano, Maurizio Gualtieri
Alessandro Anav
Assegno di ricerca
* sede ENEA Pisa
Il Progetto MINNI
Modello Integrato Nazionale a supporto
della Negoziazione Internazionale sui temi
dell’inquinamento atmosferico
Responsabile del progetto: Gabriele Zanini
• Progetto ENEA finanziato dal 2002 al 2012 dal
Ministero dell'Ambiente e della Tutela del
Territorio e del Mare
www.minni.org
• Sviluppato da ENEA in collaborazione con
Arianet s.r.l. (Milano) e IIASA (International
Institute for Applied Systems Analysis Vienna)
IL SISTEMA MODELLISTICO ATMOSFERICO (SMA)
Campi ECMWF
Inventari
(ISPRA GAINS ed
EMEP)
Dati Locali
RAMS, LAPS
Meteo
Sottosistema
METEO
Emission Manager
Sottosistema
EMISSIVO
SURFPRO
Parametri di
turbolenza
Campi EMEP
IC e BC
Sottosistema
CHIMICO-FISICO
Info spaziali e
temporali
Emissioni
FARM
Concentrazioni e Deposizioni
Matrici di
Trasferimento
GAINS
Le simulazioni modellistiche
ANNI SIMULATI:
METEOROLOGIA:
1999, 2005:
20km ris. RAMS (nudging)
4km ris. LAPS (diagnostic)
2003, 2007, 2010:
RAMS (nudging) a 20km e 4km ris.
valutazione (1999, 2003, 2005*, 2007, 2010**)
scenario (differenti proiezioni al 2015, 2020, 2030)
* include HM and POPs a 20 km risoluzione orizzontale
** include HM and POPs a 4 e 20 km risoluzione orizzontale
EMISSIONI:
EMEP + Inventario Nationale (ISPRA)
(approccio top-down)+ Inventari Regionali
(metodologia GAINS)
IC/BC:
EMEP/MSC-W output con ris. temporale
di 3 ore per gas e aerosol;
EMEP W/MSC-E con ris. temporale
di 6 ore per HMs e POPs
QUALITA’ DELL’ARIA: FARM
20km e 4 km ris. orizzontale
12 livelli verticali (fino a 4 km) 1999
16 livelli verticali (fino a 10 km) 2005, 2003, 2007 , 2010
One-way nested
I PROCESSI ATMOSFERICI NEI MODELLI DI QUALITÀ DELL’ARIA
Decreto Interminist. 24 aprile 2013
«Disposizioni volte a stabilire i criteri metodologici
utili per la redazione del rapporto di valutazione del
danno sanitario in attuazione dell’art.1-BIS, comma
2 del D.L. 3/12/2012 n.207 convertito, con
modificazioni dalla L. 24 dicembre 2012, n.231»
Model guidance in support to application of the European Air Quality Directive (50/2008)
- FAIRMODE (Forum for air quality modelling in Europe)
Model guidance in support to application of the European Air Quality Directive (50/2008) FAIRMODE (Forum for air quality modelling in Europe)
GLI INQUINANTI SECONDARI: L’OZONO
Radiazioni
UV
O•
NO2
O2
NO
O3
COV
organici reattivi
NO2
O•
La componente secondaria del PM
FARM: Flexible Air quality Regional Model
http://air-climate.eionet.europa.eu/databases/MDS/
Initial and boundary conditions:(aerosol)
Dry and wet aerosol deposition
Emission model:
sea salt
Land use and
orography
Transport
+
diffusion
Meteorology
AEROSOL MODELS:
AERO3
ISORROPIA
SORGAM
Heterogeneous
chemistry
Gas emissions
Emission model:
BVOC
Dry and wet
gas deposition
Aerosol
emissions
GAS CHEMISTRY
MECHANISM:
SAPRC99
Initial and boundary conditions (gas)
Concentrazioni medie annue di NO2
2005
2010
Concentrazioni medie annue di PM2,5
2005
2010
Concentrazioni medie annue di O3 (max day 8 h)
2005
2010
VALIDAZIONE DELLE SIMULAZIONI
Le nostre simulazioni modellistiche sono sempre accompagnate da una validazione sia dei campi
meteorologici che dei campi di qualità dell’aria seguendo le procedure « standard » identificate
nelle linee guida di FAIRMODE (Forum for air quality modelling in Europe):
•
Estrazione dei dati simulati nei punti delle stazioni di monitoraggio (repository di ISPRA che
raccoglie i dati delle Agenzie Regionali)
•
Confronto tra dati simulati e dati misurati : calcolo degli scores e di diversi indici statistici
•
I dati misurati devono rispettare specifici requisiti per il calcolo di diverse metriche:
 e.s., per il calcolo di una media annuale:
 giorni validi: > 75% di records orari validi in 1 giorno
 mesi validi: > 90% di giorni validi in 1 mese
 stagioni valide: > 75% di records validi in 1 stagione
 anno valido: > 90% di records validi in 1 anno (O3: > 75% di dati validi sia nei 6 mesi estivi che nei 6 mesi
invernali)
•
L’incertezza viene stimata solo dove sono disponibili osservazioni e non in ogni punto o in ogni
cella della griglia utilizzata dal modello
Mircea, M., et al. «Assessment of the AMS-MINNI system capabilities to simulate air quality over Italy for the calendar year 2005». Atmos. Environ. 84, 2014,
178-188.
Ozono (O3): stazioni rurali
2003
2005
2007
20 km
aumento numero stazioni
4 km
mg/m3
O3: correlazione
2003
2005
2007
Simon et al., 2012
(Atmos. Environ)
O3: simulazione 2010
(a)
(b)
(c)
FIGURA 1 O3, MASSIMO GIORNALIERO DELLA MEDIA MOBILE SU 8 ORE. DIAGRAMMA DI TAYLOR ANNUALE (A), SCATTER
PLOT ANNUALE (B), SCATTER PLOT STAGIONALE INVERNO (BLU) - ESTATE (ROSSO) (C). SONO RAPPRESENTATE LE STAZIONI:
RURALI (CERCHI), URBANE (QUADRATI) E SUBURBANE (TRIANGOLI).
Materiale particolato (PM10): stazioni fondo urbano
2003
2005
2007
20 km
4 km
mg/m3
Materiale particolato (PM10): diagramma di Taylor
Chemel et al., 2010
(Atmos.Environ)
EURODELTA III:
European AQ
models
intercomparison
Cerchi: stazioni rurali
Crocette : stazioni urbane
Quadrati: stazioni suburbane
Materiale particolato (PM2,5): anno 2010
(a)
(b)
(c)
PM2.5, MEDIE ANNUALI DEI VALORI ORARI.
DIAGRAMMA DI TAYLOR ANNUALE (a),
SCATTER PLOT ANNUALE (b), SCATTER PLOT STAGIONALE INVERNO (BLU) - ESTATE (ROSSO) (c).
SONO RAPPRESENTATE LE STAZIONI: RURALI (CERCHI), URBANE (QUADRATI) E SUBURBANE (TRIANGOLI)
LE SIMULAZIONI DIFFERENZIALI IL RISCHIO D’AREA 1
LE SIMULAZIONI DIFFERENZIALI PER IL RISCHIO D’AREA 2
Scenario SI (senza Impianto) - Configurazione Modellistica
DATI METEOROLOGICI
EMISSIONI
MINNI 2010
Downscaling a 1km x 1km
Inventario ISPRA 2010
ESCLUSE le emissioni di pertinenza Impianto
CONCENTRAZIONI
Simulazione annuale a risoluzione oraria
del Modello Chimico di Trasporto FARM
a 1 km di risoluzione
LE SIMULAZIONI DIFFERENZIALI PER IL RISCHIO D’AREA 3
Scenario CI (senza Impianto) - Configurazione Modellistica
DATI METEOROLOGICI
EMISSIONI
MINNI 2010
Downscaling a 1km x 1km
Inventario ISPRA 2010
+
emissioni di pertinenza Impianto
CONCENTRAZIONI
Simulazione annuale a risoluzione oraria
del Modello Chimico di Trasporto FARM
a 1 km di risoluzione
LE SIMULAZIONI DIFFERENZIALI PER IL RISCHIO D’AREA 4
 l’impatto dell’impianto sul territorio del Dominio viene
valutato come differenza fra la simulazione con impianto
(CI) e senza impianto (SI) ed espresso come differenza
relativa di concentrazioni in rapporto a CI:
impatto = (CI-SI) x 100 / CI
(%)
 Il
valore
esprime il
contributo
dell’impianto
alla
concentrazione totale, su tutti i punti del dominio di
simulazione
IL DANNO SANITARIO NELL’INTORNO DI UN IMPIANTO
IL SISTEMA MODELLISTICO A MICROSCALA
GLI INQUINANTI TRATTATI
Lista degli inquinanti solitamente trattati per il calcolo del danno sanitario di un impianto
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
CONTESTO DI LAVORO
ACCORDO DI COLLABORAZIONE PER L’AVVIO DELLE RETI SPECIALI DI CUI AL
DECRETO LEGISLATIVO 155/2010.
firmato nel 2011 da
IL MINISTERO DELL’AMBIENTE E DELLA TUTELA DEL TERRITORIO E DEL MARE (MATTM)
IL CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE (CNR)
L’AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L’ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE (ENEA)
L’ISTITUTO SUPERIORE DI SANITÀ (ISS)
D.Lgs. 13/08/2010, n.155
Decreto legislativo di Attuazione della DIRETTIVA 2008/50/EC relativa alla qualità dell’aria ambiente e per un’aria più pulita in Europa
Art.6
Casi speciali di valutazione della qualità dell’aria ambiente
- almeno tre stazioni di fondo rurali per la misura della concentrazione di massa totale e delle concentrazioni per
speciazione chimica del materiale particolato PM2.5 su base annuale (Par. [1], a);
- almeno sette stazioni per la misura della concentrazione di benzo(a)pirene e degli altri idrocarburi policiclici
aromatici di rilevanza tossicologica:benzo(a)antracene, benzo(b)fluorantene, benzo(j)fluorantene,
benzo(k)fluorantene, indeno(1,2,3-cd)pirene, dibenzo(a,h)antracene (Par.[1], b);
- almeno tre stazioni di fondo per la misura indicativa della concentrazione di arsenico, cadmio, nichel,
mercurio gassoso totale, benzo(a)pirene ed altri idrocarburi policiclici aromatici di rilevanza tossicologica e per la
misura indicativa della deposizione totale di tali inquinanti (Par.[1],c);
- sette stazioni urbane per la misura della concentrazione di massa totale e delle concentrazioni per speciazione
chimica del materiale particolato PM10 e PM2.5 su base annuale (Par. [1],d).
Art.8
Valutazione della qualità dell’aria ambiente e stazioni di misurazione in siti fissi di campionamento in relazione
all’ozono
-da sei a dodici stazioni per la misurazione dei livelli di fondo rurale dell’ozono (Par. [6]).
-tre stazioni per la misura dei livelli dei suoi precursori (Par. [7])
RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE DI STAZIONI DI MONITORAGGIO
A COSA SERVE?
LO
STUDIO DELLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE CONSENTE DI QUANTIFICARE IN CHE MISURA L’INFORMAZIONE
MISURATA IN UN PUNTO SI POSSA ESTENDERE AD UN’AREA PIÙ VASTA NELL’INTORNO DEL PUNTO STESSO.
1. Pianificazione e Ottimizzazione delle RETI
CAMPAGNE DI MISURA
DI
NO
ridondanza
SI
focus sugli hot-spots
SI
focus su recettori di interesse (popolazione, ecosistemi)
MONITORAGGIO e di
2. Valutazione dell’ESPOSIZIONE della popolazione
Scelta dei siti di monitoraggio rappresentativi di determinati recettori o di una certa
area
Classificazione di aree con esposizione simile
Informazione al pubblico: i dati misurati in quali siti devono essere utilizzati per
informare una certa porzione della popolazione?
3. Utilizzo di dati misurati a supporto di STUDI MODELLISTICI
Validazione
Data assimilation
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
SCELTA DEL METODO
C (x,y,z,t)
fsito(x,y)
Punti nei quali,
nel confronto
delle serie
temporali, la
condizione
DC/C<0.2
è verificata più
del 90 % dei casi
SCELTA DEL METODO BASATO
SULL’ANALISI DEI CAMPI DI CONCENTRAZIONE
(METODO CSF)
SIMULATI
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
BASI DATI UTILIZZATE PER L’ANALISI
STAZIONI DI FONDO RURALE (12)
CAMPI
DI CONCENTRAZIONE FORNITI DAL
MODELLO NAZIONALE MINNI
Risoluzione 4 km x 4 km
Simulazione MINNI 2010
•Base Dati emissiva più aggiornata su base provinciale: ISPRA 2010, NUTS3
•Versione di FARM più completa (con trattamento di Metalli, Mercurio e IPA)
STAZIONI DI FONDO URBANO (9)
USO
DELLA
CATENA MODELLISTICA
DI
MINNI
PER NUOVE
SIMULAZIONI
AD HOC
Risoluzione 1 km x 1km
Anno Meteorologico ed Emissivo 2010
•Condizioni al Contorno: MINNI 2010
•Base Dati emissiva: ISPRA 2010, NUTS3
•Meteorologia a 1 km x 1km  prodotta ad hoc
•Simulazione di FARM a 1 km x 1km  prodotta ad hoc
versione di FARM più completa (con trattamento di Metalli, Mercurio e IPA)
STAZIONI DI TRAFFICO (3) E INDUSTRIALI (1)
NUOVO
SISTEMA
MODELLISTICO
PER LE
SIMULAZIONI
ALLA
SCALA LOCALE (MODELLO LAGRANGIANO SPRAY)
Risoluzione: 100 m (sito industriale); 2 m (siti di traffico)
Anno Meteorologico ed Emissivo 2010 (2007)
•Dati emissivi dettagliati richiesti alle Regioni interessate (Lombardia, Friuli-Venezia-Giulia,
Lazio, Puglia)
•Meteorologia Diagnostica (MICRO-SWIFT) a partire dai campi meteorologici di MINNI
STAZIONE INDUSTRIALE
TARANTO VIA MACHIAVELLI
PRODUZIONE
DEI CAMPI DI CONCENTRAZIONE
CATENA MODELLISTICA: SWIFT-SPRAY
DOMINIO DI ANALISI: 20km X 20km
RISOLUZIONE SPAZIALE: 100 m
SORGENTI SIMULATE:
o CONVOGLIATE
o DIFFUSE CALDE
o FUGGITIVE
(PARCHI [CON
TRATTAMENTO EROSIONE EOLICA] E NASTRI)
o PORTO
o AREALI
(SETTORI SNAP 02, 03, 04)
o TRAFFICO
FONTE DATI EMISSIVI: ARPA PUGLIA
C(x,y,z,t)
PM10 MEDIA ANNUALE
AREALI_DIFFUSE_02
AREALI_DIFFUSE_0304
PM10 MEDIA ANNUALE
CONTRIBUTI
AREALI_DIFFUSE_02
SETTORI EMISSIVI
AREALI_DIFFUSE_0304
PM10 MEDIA ANNUALE
CONTRIBUTI
AREALI_DIFFUSE_02
SETTORI EMISSIVI
AREALI_DIFFUSE_0304
PM10 MEDIA ANNUALE
CONTRIBUTI
AREALI_DIFFUSE_02
SETTORI EMISSIVI
AREALI_DIFFUSE_0304
TARANTO VIA MACHIAVELLI
PM10
MEDIA ANNUALE
CONTRIBUTO
ASSOLUTO
SETTORI EMISSIVI
TARANTO
VIA
MACHIAVELLI
ANALISI DI RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
C (x,y,z,t)
CSF
TARANTO
VIA
MACHIAVELLI
ANALISI DI RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
TARANTO
VIA
MACHIAVELLI
ANALISI DI RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
Area: 67688 m2
Perimetro: 976 m
COST ACTION ES1006
Evaluation, improvement and guidance for the use of
local-scale emergency prediction and response tools
for airborne hazards in built environments.
Documenti finali dell’Azione sul sito :
http://www.elizas.eu/index.php/documents-of-the-action
Background and Justification Document
Model Evaluation Protocol
Model Evaluation case studies: Approach and results
Best Practice Guidelines
Partecipazione italiana:
Silvia Trini Castelli – CNR ISAC, Torino – Management Committee Vice Chair
Gianni Tinarelli – ARIANET Srl, Milano – Management Committee Member
Claudio Gariazzo – INAIL, Roma – Invited expert
Principali scopi dell’Azione:
• Definire lo stato dell’arte sui modelli per la dispersione di sostanze
pericolose a scala locale in presenza di edifici
• Preparare strumenti e dati per testare e valutare i modelli
• Compilare le linee guida per l’uso dei modelli nei contesti della
risposta alle emergenze
• Sviluppare e testare strategie e metodologie per nuovi approcci
modellistici
In questo contesto sono stati testati diversi tipi di
modelli:
• Semi-empirici (formule, tabelle, Gaussiani, ..)
• Lagrangiani (puff, particelle, ..)
• Euleriani (CFD, LES ..)
Su test case in :
• wind tunnel con struttura urbana
• Rilasci in atmosfera in terreno urbano complesso
• Rilascio accidentale reale
COST Action ES1006 si è chiusa con il
4TH INTERNATIONAL OPEN WORKSHOP ON
LOCAL-SCALE AIRBORNE HAZARDS MODELING AND EMERGENCY RESPONSE
Tenuto in April 23th, 2015
at the Fire Brigade Headquarters of Vienna
Tutti I documenti sono presenti sul sito www.elizas.eu