Strumenti avanzati per la valutazione e gestione della
qualità dell’aria
La modellistica a supporto della pianificazione e
gestione della qualità dell'aria
Ferrara 28 settembre 2006
Marco Deserti, Michele Stortini,Enrico Minguzzi,
Giovanni Bonafè, Suzanne Jongen
ARPA-SIM, Area Meteorologia Ambientale
Parte prima:
Il sistema modellistico NINFA per la
valutazione e la previsione della qualità
dell’aria a vasta scala e a scala regionale
2
Il sistema NINFA
Network dell’Italia del Nord per la Fotochimica e l’Aerosol
Northern Italian Network to Forecast photochemical and Aerosol pollution
•
•
•
•
•
•
Multiscalarità
Multiprocesso
Multiscopo
Codice aperto (CHIMERE)
Operatività
Accessibilità dei dati
•
Corse giornaliere su work station Linux.
Inizio 4:00 GMT, output 09:00 GMT.
Simulazioni scenari su multiprocessore 6
nodi, 70’ CPU/giorno
Costruzione interfaccia CHIMERE - LAMI
Aggiunto modulo per sorgenti puntuali
I campi meteo da LAMI con ciclo di
assimilazione dei dati osservati (LAMA)
sono utilizzati per le analisi di scenario.
Previsioni pubblicate ogni giorno su WEB
Possibilità di distribuire campi numerici
NRT
•
•
•
•
3
•
•
EMISSIONI
CTN_ACE
METEO:
LAMI/LAMA
USO del SUOLO:
CORINE2000+GL
C2000
CHIMERE
OUTPUT:
O3, NO2, PM10,
(SO2……..)
CONDIZIONI al
CONTORNO:
(Prev'air)
ArpaRivista, n.4 lug-ago 2005 scaricabile da www.arpa.emr.it/arparivista/
NINFA: dalla scala
continentale alla scala urbana
Modello urbano
(ADMS Urban)
Prev’air (Chimere-continentale 0.5°*0.5°)
4
NINFA (ER-Chimere-regionale) 10km*10km (5km*5km)
Prev’air (Chimere-continental-Europe-domain)
NINFA:
• Previsioni quotidiane Ozono, PM10
Boundary conditions from Prev’Air
• valutazione della qualità dell’aria
• Analisi di scenario
NINFA (ER-Chimere-regional-Po
valley domain)
Input meteo
CORINAIR
2000LAMI-SIM
(COVN ton/anno)
5
6
http://www.arpa.emr.it/sim/
7
http://www.arpa.emr.it/sim/
8
http://www.arpa.emr.it/sim/
O3: concentrazione media diurna (ppb)
numero di giorni in cui la media 8h ha
superato 120 mg/m3
Simulazione con NINFA di Ozono, estate 2003 (aprile –settembre)
Concentrazione media diurna simulata (a sinistra)
Numero di giorni con media su 8 ore superiore al livello di protezione
della salute umana (120 mg/m3) (a destra)
9
.
Valutazione annuale con NINFA: Ozono
• La valutazione annuale mostra che il massimo
numero di superamenti del valore obiettivo per la
protezione della salute umana di ozono(120 μg/m3
massima media di 8-ore durante il giorno) sono
localizzati nella regione sub alpina e nella pianura.
• Il massimo numero di superamenti (più di 120
all’anno) si verifica attorno ai principali agglomerati
urbani di Milano e Torino.
• Nella Regione Emilia Romagna i valori massimi si
verificano nella pianura interna, con più di 100
superamenti per anno, con una progressiva
diminuzione spostandosi verso l’Appennino dove si
passa a 60-80 superamenti anno.
• Nelle pianura vi sono valori diurni più elevati, mentre
in collina e montagna si hanno valori meno elevati di
giorno ma più persistenti di notte.
10
Valutazione annuale con NINFA:Ozono
PM10: concentrazione media semestre
estivo (mg/m3)
PM10: concentrazione media semestre
invernale (mg/m3)
Simulazione con NINFA di PM10, anno 2003 - 2004
Concentrazione media semestre estivo (aprile – settembre) a sinistra
Concentrazione media semestre invernale (ottobre – marzo) a destra
(Valore limite annuale 40 mg/m3)
11
Valutazione annuale con NINFA:PM10
• La concentrazione di fondo media annuale di PM10
simulata è massima in pianura, nell’area compresa
tra le regione sub alpina occidentale fino alla costa
adriatica nord-orientale (20-25 μg/m3 ).
• In Emilia Romagna i valori massimi simulati sono
nella pianura interna (18-20 μg/m3 di concentrazione
di fondo), anche in questo caso con una diminuzione
verso l’Appennino e la costa.
• Lo studio della variazione stagionale evidenzia valori
di PM10 non trascurabili anche in estate, con una
presenza generale su tutta l’area di PM secondario di
origine fotochimica.
12
Valutazione annuale con NINFA:PM10
• NINFA è stato accuratamente verificato con i dati
delle stazioni rurali e sub urbane presenti nella
pianura padana e di campagne sperimentali (come
quella del progetto PolveRE, caratterizzazione
chimico-fisica del particolato in Emilia Romagna.
• I risultati sono rappresentativi dell’inquinamento
presente nelle zone rurali e nei grandi agglomerati
urbani.
13
Verifica e “validazione” di NINFA
Le stazioni usate per la verifica di NINFA
Fonte: APATCTN-ACE 2004
14
La VALIDAZIONE di NINFA
•Gli
errori
sono
nella
maggioranza
dei
casi
all’interno degli standard di
qualità modellistica previsti
dal DM60/2002.
PM10, anno 2003-2004
50
microgrammi/m3
•Sottostima
nelle
medie
annuali, in particolare nelle
stazioni
che
sono
più
influenzate dalle emissioni
locali che non possono
essere risolte con un modello
a scala nazionale/regionale.
40
30
sim
20
oss
10
0
RB(N=2)
SB(N=6)
UB(N=9)
UT(N=4)
Tipo e numero di stazioni con 90% dati validi
indice di correlazione medie giornaliere di PM10
0.7
0.6
0.5
0.4
•L’indice di correlazione delle
medie
giornaliere
è
soddisfacente evidenziando
che NINFA è in grado di
riprodurre le variazione nel
15 tempo del PM10.
0.3
0.2
0.1
0
RB(N=2)
SB(N=6)
UB(N=9)
UT(N=4)
Tipo e numero di stazioni con 90% dati validi
La VERIFICA del sistema NINFA
Buon accordo con le
osservazioni nei valori
medi e nel numero di
superamenti dei valori
obiettivo
per
la
protezione della salute
umana di ozono (120
μg/m3 massima media
di 8-ore durante il
giorno)
16
La VERIFICA del sistema NINFA
Confronto tra la distribuzione dimensionale di PM10
simulata da NINFA e quella misurata nell’ambito del
progetto PolveRE
Buon accordo nella
ripartizione
granulometrica.
Circa il 40% del
PM10 è formato da
particolato al di sotto
di 0.6 micron!!!
17
Distribuzione dimensionale del particolato a Bologna (media annuale)
Confronto tra la composizione di PM10 simulata da
NINFA e quella misurata a Bologna
*
* Dati CNR-ISAC (S.Fuzzi, C. Facchini)
Buon accordo nella composizione chimica per le
specie inorganiche (nitrati, ammonio, solfati).
18
Il PM10 secondario è il 50-60% del PM10 totale!!!
Composizione PM10 a Bologna
• NINFA produce previsioni quotidiane di qualità
dell’aria disponibili sul WEB (www.arpa.emr.it/sim).
• NINFA è stato usato per eseguire una valutazione
della qualità dell’aria sulla pianura padana, una delle
zone più intensamente inquinate in Europa.
• La verifica di NINFA ha messo in evidenza una
buona correlazione con i dati della rete e la capacità
del sistema di descrivere i principali processi fisico
chimici che portano alla formazione, al trasporto ed
alla diffusione del PM10 e dell’Ozono.
19
Prime conclusioni
Le domande a cui deve rispondere il piano di
miglioramento della qualità dell’aria
 Quali sono le zone e gli agglomerati con i maggiori livelli di
inquinamento?
 Quali sono le fonti inquinanti maggiormente responsabili
dell’inquinamento di queste aree?
 Quale è il peso degli inquinanti secondari? Vi è trasporto di
inquinanti da altre zone? Vi sono cause “naturali”
dell’inquinamento?
 È possibile ridurre l’inquinamento in queste aree?
 Di quanto è necessario ridurre le emissioni inquinanti?
 Quali fonti inquinanti è più necessario/utile ridurre? Attraverso
quali azioni ?
 Quanto devono essere estese le azioni di riduzione?
 Che tempi sono necessari? Quanto costa?
20
Piani/programmi di miglioramento della qualità dell’aria
• NINFA può essere utilizzato per la redazione di
piani/programmi di miglioramento della qualità
dell’aria, consentendo di valutare le varie opzioni per
la riduzione dell’inquinamento e prevederne i benefici
in termini di miglioramento della qualità dell’aria.
• Per esemplificare la capacità del sistema di valutare
scenari futuri di inquinamento sono stati preparati
alcuni esempi che mostrano come:
– la concentrazione di ozono e PM10 non
diminuisce proporzionalmente alla diminuzione
delle emissioni di precursori
– sia possibile quantificare l’entità degli inquinanti
trasportati in Emilia Romagna dalle regioni vicine.
21
Piani/programmi
Scenari: emissioni
Emissioni di PM10, totale annuale: caso base (sinistra) e scenario
“CLE2020 (*)” (destra)
22
(*) Current Legislation Emission 2020 fonte EMEP
Scenari: CLE 2020, Ozono
Ozono, numero di giorni con media su 8 ore > 60 ppb, caso base
(sinistra) e scenario CLE (destra)
• Riduzione delle emissioni di NOx del 51% e dei VOC del 46%
sull’intero dominio
• La media diurna (estiva) dell’ozono cala del 5%
23
• Il numero di superamenti della soglia 120 mg/m3 cala del 15%
Scenari: CLE 2020, PM10
PM10, concentrazione media annuale, caso base (sinistra) e
scenario CLE (destra)
• Riduzione delle emissioni di NOx del 51% e di PM10 del 47% sull’intero
dominio
24 • La media annuale del PM10 nelle zone rurali cala del 20% (fino al 30%
nelle aree urbane)
Scenari: Emilia Romagna zero, Ozono
Ozono, numero di giorni con media su 8 ore > 60 ppb, caso base
(sinistra) e scenario EMR zero (destra)
• Emissioni zero in Emilia Romagna, (riduzione delle emissioni totali sul
dominio del 13%)
• Il numero di superamenti della soglia 120 mg/m3 cala (a Bologna) del
25 15%. La media diurna (estiva) dell’ozono rimane sostanzialmente
invariata (nessuna variazione nelle aree urbane, -3% nelle zone rurali
della Romagna).
Scenari: Emilia Romagna zero, PM10
PM10, concentrazione media annuale, caso base (sinistra) e scenario
EMR zero (destra)
• Emissioni zero in Emilia Romagna, (riduzione delle emissioni totali sul
dominio del 13%)
26 • La media annuale del PM10 (lontano dai confini regionali) cala del 3040%
Parte seconda
Dalla scala nazionale/regionale alla scala
locale/provinciale
Possibili utilizzi di NINFA
Esempi dimostrativi
27
• È disponibile una versione ad alta risoluzione (5*5
km) di NINFA su Emilia Romagna, annidata
all’interno del dominio Nord Italia
28
NINFA a 5 km risoluzione
Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni
zero delle centrali elettriche. Una valutazione d’impatto
deve essere fatta su base annuale. Le cose possono
cambiare considerando periodi diversi!!!!!!
NO2, concentrazioni medie, ppb, caso base (sinistra) e scenario
29 senza centrali (destra)
Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004
Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni
zero delle centrali elettriche
Differenze delle concentrazioni medie NO2, ppb (sinistra),
Differenze delle concentrazioni orarie NO2, ppb (destra)
•In questo esempio dimostrativo le differenze sono mediamente
inferiori a 3-4 ppb (10% circa).Si notano i pennacchi emessi dai
30 camini, l’impatto è evidente anche a notevole distanza
Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004
Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni
zero delle centrali elettriche
PM10, concentrazioni medie mg/m3, caso base (sinistra) e scenario
senza centrali (destra)
31
Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004
Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni
zero delle centrali elettriche
differenze delle concentrazioni medie di PM10, mg/m3, (sinistra)
differenze percentuali delle concentrazioni medie (destra)
32
In questo esempio dimostrativo le differenze sono mediamente
piccole 1-2 mg/m3, (3-4% circa)
Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004
• NINFA viene impiegato per analizzare e prevedere
quotidianamente la qualità dell’aria in tutto il territorio,
valutando l’eventuale inquinamento anche delle zone
dove non sono presenti stazioni di monitoraggio.
• NINFA viene utilizzato per una valutazione di vari
scenari futuri di inquinamento in Emilia Romagna e
nella pianura padana.
• NINFA può essere usato per una valutazione
dell’impatto a larga scala degli inquinanti primari
e secondari emessi da grandi impianti (centrali
elettriche, termovalorizzatori, ecc.)
33
Conclusioni
Una proposta di lavoro per lo studio della
qualità dell’aria nella provincia di Ferrara
34
Ipotesi di lavoro
35
• Nella Pianura padana (e a Ferrara) la concentrazione
di inquinanti secondari (Ozono e PM10/2.5 NO2)
dipende principalmente da processi atmosferici ad
ampia scala (trasporto di precursori emessi anche a
grande distanza che interagiscono con le sorgenti
locali)
• La concentrazione di inquinanti primari (SOx, NOx,
NH3, microinquinanti, ecc..) in prossimità delle
sorgenti è maggiormente influenzata dalla intensità e
dalla distribuzione delle emissioni e dalle condizioni
meteorologiche locali.
• Queste ipotesi, generalmente condivise nel mondo
scientifico, sono state verificate e dimostrate in molte
occasioni
• Eseguire una macroanalisi mediante il modello chimico
di trasporto e dispersione NINFA per individuare le aree
maggiormente critiche sulla provincia di Ferrara
A) per gli inquinanti primari/precursori (NOX,SOX, COV,
NH3)
B) per gli inquinanti secondari (O3 e PM10-2.5)
• Condurre uno studio a piccola scala (dominio di circa
20*20km2 passo 500 m) mediante un modello “non
chimico” (ADMS-Urban) per studiare in dettaglio
l’impatto degli inquinanti primari (con dati meteo locali e
specifici)
• Eseguire eventuali campagne di verifica mediante
laboratorio mobile e stazione meteorologica mobile nelle
aree maggiormente critiche.
36
La proposta di ARPA