X Expert Panel Emissioni da Trasporto su Strada
San Donato Milanese, 21 giugno 2005
Analisi comparata di tre diversi approcci di
applicazione dei modelli di dispersione
CALPUFF e CALINE su di un'area urbana
Marco Bedogni, Annalisa Tanzarella
Agenzia Mobilità e Ambiente S.r.l. – Milano
[email protected] , [email protected]
Giuseppe Maffeis
TerrAria S.r.l. – Milano
[email protected]
Cesare Pertot
CESI S.p.a. – Milano
[email protected]
Inquadramento del lavoro
 Nell’ambito delle attività svolte dal CTN-ACE (Centro Tematico
Nazionale Atmosfera Clima ed Emissioni) in relazione alla modellistica di
dispersione, nel 2003 il gruppo di lavoro della task modelli ha predisposto
un esercizio di confronto tra modelli di dispersione a scala urbana e dati
sperimentali, con la finalità di quantificare l’incertezza associata ai modelli
di qualità dell’aria.
 Per l’intercomparazione dei modelli il CTN-ACE ha predisposto un
dataset comune di dati di ingresso, che dopo essere stato utilizzato in
una prima fase internamente alla task dalle ARPA partecipanti, è stato
distribuito ai soggetti pubblici e privati che avevano aderito all’iniziativa.
Il caso di studio
L’area di studio prescelta
per
l’intercomparazione
modellistica è quella del
comune di Brescia, città di
circa 200’000 abitanti che si
estende prevalentemente in
area pianeggiante a ridosso
della
fascia
collinare
prealpina.
L’esercizio è consistito in
simulazioni di lungo periodo
(un
anno)
per
due
inquinanti, CO e NOx.
I dati comuni di input
Per l’intercomparazione modellistica il CTN-ACE ha messo a disposizione
dei partecipanti il seguente dataset:
 dati meteorologici (temperatura, intensità e direzione vento, classe
stabilità, altezza di rimescolamento, grandezze di scala descrittive della
turbolenza, radiazione, copertura nuvolosa..) ricostruiti utilizzando il
modello meteorologico diagnostico CALMET;
 i parametri fisiografici (orografia, rugosità, albedo ..) utilizzati anche da
CALMET;
 le concentrazioni (CO, NOx) di confronto misurate da una stazione della
rete di monitoraggio della qualità dell’aria posta in zona centrale e
rappresentativa dell’inquinamento medio urbano.
I dati comuni di input: le emissioni
I dati di emissione sono
stati forniti ai partecipanti
sia per le sorgenti lineari
(948 archi stradali) sia per
alcune sorgenti puntuali (6
sorgenti
di
NOx,
rappresentate
con
un
cerchio, e 2 sorgenti di CO,
rappresentate
con
un
rombo).
Le emissioni da traffico sono
state stimate dal CTN-ACE
utilizzando la metodologia
COPERT III.
I dati comuni di input: le emissioni
100%
80%
60%
40%
20%
0%
CO
NOx
Lineari
Puntuali
La maggior parte delle emissioni di monossido di carbonio e quasi la
metà delle emissioni di ossidi d’azoto utilizzate per l’intercomparazione
modellistica sono dovute al traffico veicolare.
Inquadramento del lavoro
 Dal
punto
di
vista
degli
autori
di
questa
presentazione,
la
partecipazione all'esercizio ha costituito un'opportunità per applicare
semplici modelli di dispersione di pubblico dominio su un comune dataset
di input relativo a un ambito urbano, ambito nel quale il traffico ha ormai
assunto una grande importanza in termini di contributo emissivo.
In questo modo si sono potute valutare le prestazioni dei modelli
(anche dal punto di vista degli obiettivi di qualità di cui al DM n.60/2002)
in funzione esclusivamente delle modalità di esecuzione dell'esercizio
(trattamento del dato di emissione, passo della griglia di calcolo, opzioni
del modello di dispersione ecc..).
 I modelli applicati in questo contesto sono stati CALPUFF v.5.7 (Scire et
al., 2000) e CALINE v.3 (Benson, 1979).
I modelli di dispersione
CALPUFF versione 5.7 è un modello matematico a "puff" non stazionario
per il calcolo della dispersione di inquinanti atmosferici rilasciati da diverse
tipologie di sorgenti emissive (puntuali, areali, lineari, volumetriche). Sono
inclusi algoritmi per il trattamento della deposizione secca e umida, nonché di
particolari situazioni quali building downwash per edifici presenti nelle
vicinanza delle sorgenti puntuali, terreno complesso ecc.. Inoltre include un
algoritmo specifico per le situazioni di calma di vento, durante le quali il
modello lascia immobili tutti i "puff".
I modelli di dispersione
CALINE (California Line Source Dispersion Model) versione 3 è un modello
matematico gaussiano stazionario per il calcolo della dispersione di inquinanti
primari rilasciati dal traffico veicolare trattato come sorgente lineare. Ciascun
arco stradale viene diviso dal modello in una serie di elementi emissivi e la
concentrazione a ciascun recettore è la somma dei contributi dei diversi
elementi. Il modello non considera la presenza di ostacoli né riesce a trattare
le situazioni di calma di vento.
Le configurazioni modellistiche
Cal_1
dati puntuali al suolo
Cal_2
dati puntuali al suolo
coeff. dispersione
McElroy-Pooler
stabilità
turbolenza meccanica
indotta dai veicoli e
coeff. dispersione
Pasquill-Smith
classi stabilità A-F
passo griglia (m)
algoritmo per le calme
di vento
terreno complesso
dispersione delle
emissioni puntuali
dispersione delle
emissioni lineari
400
valore minimo per il
vento: 0.5 m/s
No
CALPUFF sorgenti
puntuali
CALINE sorgenti
lineari
500
valore minimo per il
vento: 0.5 m/s
Sì
CALPUFF sorgenti
puntuali
CALPUFF griglia di
sorgenti volumetriche
dati meteorologici
turbolenza
classi stabilità A-F
Cal_3
dati puntuali al suolo
e profilo verticale
teoria similarità 1/L
1/L sempre negativo
per le ipotesi CTNACE
1000
Sì
No
CALPUFF sorgenti
puntuali
CALPUFF sorgenti
volumetriche
“rettangolari”
distribuite lungo le
strade
Il trattamento delle emissioni
I risultati ottenuti
I risultati ottenuti: il CO
I risultati ottenuti: gli NOx
I risultati ottenuti
Pollutant
Cal_1
Cal_2
Cal_3
Average Normalised Bias
CO
0.45
0.50
-0.04
NOx
0.25
0.42
-0.33
Average Normalised
CO
1.06
1.00
0.65
Absolute Bias
NOx
0.92
0.99
0.58
Correlation Index
CO
0.34
0.44
0.55
NOx
0.25
0.31
0.45
Root Mean Square Error
CO
1.42
1.10
0.89
NOx
0.17
0.16
0.15
* I valori statistici per il CO sono stati calcolati per il periodo 01/01-30/09
CONCLUSIONI
Le attività di simulazione modellistica per lo studio su lungo periodo
della dispersione di inquinanti atmosferici in ambito urbano possono
essere condotte in maniera sufficientemente buona anche con
modelli lagrangiani e con semplici informazioni meteorologiche. In
questo modo possono essere soddisfatti anche i criteri del DM
n.60/2002, allegato X, per le concentrazioni medie annue.
Risultati migliori possono essere ottenuti utilizzando in input dati
meteorologici bi- o tridimensionali, e (nel caso di aree caratterizzate
da venti mediamente deboli come la Pianura Padana) trattando in
maniera adeguata le condizioni di stabilità atmosferica.
RINGRAZIAMENTI
 Gli autori ringraziano il CTN-ACE per aver fornito i dati utilizzati per
questo studio.
 Il contributo CESI a questo lavoro è stato realizzato nell'ambito delle
attività di ricerca sul Sistema Elettrico (decreto M.I.C.A. 28.02.2003 e
precedenti).