UTVALAMB-AIR
Unità Tecnica Modelli, Metodi e Tecnologie per le Valutazioni
Ambientali – Laboratorio Qualità dell’Aria
METODI DI STIMA DELLA
RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
DELLE STAZIONI DI MISURA
Lina Vitali, Giuseppe Cremona, Antonio Piersanti, Gaia Righini,
Andrea Cappelletti, Irene Cionni, Alessandra Ciucci
[email protected]
Prima giornata di incontro tra comunità modellistica e sperimentale sul tema
MODELLISTICA
DELLA QUALITÀ DELL'ARIA: L’AEROSOL ATMOSFERICO
Bologna, 29 Gennaio 2014
OUTLINE
1.Introduzione: concetti, definizioni, metodologie.
2.Esperienza di ENEA.
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)
Attività di ENEA
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Istruttoria per la scelta delle stazioni (Art. 2, Par. 1, a).
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Realizzazione di una valutazione modellistica circa la
prescelta (Art. 2, Par. 1, i).
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RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
di ciascuna stazione
Sviluppo di metodologie e delle relative procedure che consentano di determinare i contributi alle
concentrazioni degli inquinanti in aria ambiente derivanti da fonti naturali (Art. 2, Par. 1, n).
!
(
Aggiornamento e miglioramento del modello nazionale di valutazione attraverso l’assimilazione dei
dati derivanti dalle stazioni di misurazione oggetto dell’accordo e attraverso la validazione (Art. 2, Par.
1, o).
RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE DI STAZIONI DI MONITORAGGIO
COS’È?
“A point measurement is representative of the average in a larger area (or volume) if the probability that the squared
difference between point and area (volume) measurement is smaller than a certain threshold more than 90% of the time. The
maximum tolerable difference has to be assessed for every individual problem; it should not be smaller than the uncertainty
of the measurement.” (Nappo et al., 1982)
“The area in which the concentration does not differ from the concentration measured at the station by more than a
specified amount can be called the area of representativeness of the station.” (Larssen et al., 1999)
“The spatial representativeness (SR) of a monitoring site may be loosely defined as the
area within which pollutant concentrations are approximately constant. For this study,
the SR of a site on a given day was operationally defined as the area of its saturation
monitoring domain having concentrations within 20% of those recorded at the site.”
(Blanchard et al., 1999)
“Within the area of representativeness the concentration deviates from the measured
concentration at the respective monitoring site within a certain range but also has to
fulfill additional criteria related to the common reasons of the concentration.”
(Spangl et al., 2007)
“We define the concept „representative‟ to indicate that the measured concentration
will vary by less than approximately 20% within the given representative area. 20% is
chosen as it is close to the quality objectives for most monitoring data as laid out in the
AQ Directive (2008/50/EC, Annex I).” (Balaguer N. C. and Denby B. R., 2012)
DESCRIZIONE DELLA VARIABILITÀ DELLA CONCENTRAZIONE
“Representative area is defined as the
region with NO2 concentrations within 5
ppb of the monitors‟ values.”
(Brauer et al., 2011)
DI UN INQUINANTE ATTORNO AL SITO DI MONITORAGGIO
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 DI MONITORAGGIO e di
CAMPAGNE DI MISURA
NO ridondanza
SI
SI
focus sugli hot-spots
focus su recettori di interesse (popolazione, ecosistemi)
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
RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE DI STAZIONI DI MONITORAGGIO
COME SI STIMA?
STATO DELL’ARTE DEI PRINCIPALI APPROCCI METODOLOGICI
Uno studio di rappresentatività spaziale può basarsi su diverse fonti di informazioni
 misure sperimentali aggiuntive
(Joly and Peuch 2012, Venegas
and Mazzeo 2010, Parra et al.
2009, Vardoulakis et al. 2005,
Flemming et al. 2005)
Sampling was carried out in Pamplona
from June 2006 to June 2007 at 40 points
selected within a 400×400 m sampling grid
(Parra et al. 2009)
 campi di concentrazione modellati (Martin et al.
2013, Santiago et al. 2013, Parra et al. 2010)
 dati spazializzati di variabili surrogato (es. land-cover,
emissioni, ecc. Janssen et al. 2012, Henne et al. 2010,
Janssen et al. 2008, Spangl et al. 2007)
Spatial variability
of air pollution in
the vicinity of a
permanent
monitoring station
in central Paris.
Diffusive samplers
as well as a mobile
monitoring unit
equipped with realtime analysers
were used
(Vardoulakis et al.
2005)
A CFD modelling
approach to assess
the representativeness
of urban monitoring
stations (Santiago et
al. 2013)
Assessment of spatial
representativeness
area based on
variability of land use
indicator (Janssen et
al. 2008)
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
PROGRAMMA DI LAVORO
ACCORDO DI COLLABORAZIONE PER L’AVVIO DELLE RETI SPECIALI DI CUI AL DECRETO LEGISLATIVO 155/2010.
firmato nel 2011 da
MATTM, CNR, ENEA, ISS
A. Analisi di DIVERSE METODOLOGIE

MESSA A PUNTO DELLA METODOLOGIA PROPOSTA

DEFINIZIONE DELLE MIGLIORI PARAMETRIZZAZIONI

PREDISPOSIZIONE DEL SOFTWARE

VALUTAZIONE DELLA METODOLOGIA TRAMITE IL CALCOLO DELLA
RAPPRESENTATIVITÀ DI ALCUNI SITI E PER GLI
INQUINANTI DI
INTERESSE
B. SCELTA della metodologia/e

AGGIORNAMENTO DAL PUNTO DI VISTA SCIENTIFICO

EVENTUALI PROPOSTE UFFICIALI/LINEE GUIDA A LIVELLO EUROPEO

ADATTAMENTO ALLA SPECIFICITÀ DEL CONTESTO ITALIANO

VALORIZZAZIONE DEI DATI A DISPOSIZIONE

APPLICABILITÀ A DIVERSI TIPI DI SITI E A DIVERSI INQUINANTI

FLESSIBILITÀ
C.
APPLICAZIONE della metodologia scelta a tutti i siti
della Rete delle Stazioni Speciali
METODOLOGIE PROPOSTE
1. Metodo statistico basato su fattori
oggettivi (land cover)
ANALISI DEL TERRITORIO
2. Metodo basato sull’uso di dati emissivi
spazializzati
ANALISI DEL CONTESTO
EMISSIVO
3. Metodo basato sull’analisi di campi di
concentrazione simulati
ANALISI DELLE CONCENTRAZIONI
4. Metodo basato sul
backward trajectories
calcolo
ANALISI DEI REGIMI METEOROLOGICI
PERCHÈ DIFFERENTI METODOLOGIE? PERCHÈ POTREBBE NON ESSERCI UN UNICO METODO ADATTO A TUTTE LE SITUAZIONI
di
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SU FATTORI OGGETTIVI
CALCOLO DI UN INDICATORE SINTETICO DEL
“POTENZIALE DI INQUINAMENTO DELL’USO DEL SUOLO”…
nCli
ai
frazione di area alla classe CLi dell’uso del suolo
determina l’influenza della classe CLi come un potenziale emettitore dell’inquinante
… E DELLA SUA VARIABILITÀ NELL’INTORNO DEL
SITO
Janssen et al., 2008-2012
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SU FATTORI OGGETTIVI
CRITICITÀ
 APPROCCIO MODELLISTICO SEMPLIFICATO
 QUALITÀ DEI RISULTATI FORTEMENTE DIPENDENTE DALLA QUALITÀ DEI DATI DI MISURA DELLA RETE DI
MONITORAGGIO UTILIZZATA PER LA CALIBRAZIONE
 BUFFERS CIRCOLARI, CON TAGLIO MINIMO DI 2 km
SVILUPPO: BUFFER NON CIRCOLARI, SECONDO I SETTORI DI VENTO PREVALENTE
POTENZIALITÀ
 UTILIZZA DATI DI DOMINIO PUBBLICO (COPERTURA DEL TERRITORIO E SERIE STORICHE DI
CONCENTRAZIONI)
 SEMBRA UN BUON METODO “DI APPOGGIO” (VALUTAZIONI SPEDITIVE, MANCANZA DI MODELLO,
CONFRONTI CON ALTRI METODI)
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SULLA VARIABILITA’ EMISSIVA
La rappresentatività spaziale è studiata in relazione all‟analisi della
variabilità delle emissioni intorno a ciascuna stazione di monitoraggio.
•emissioni molto variabili
limitata rappresentatività spaziale
•emissioni poco variabili
elevata rappresentatività spaziale
Geodatabase di emissioni sia diffuse che puntuali spazializzate a scala chilometrica (4 km x 4 km )
dal modello nazionale MINNI
Rappresentatività
ALTA
Rappresentatività
BASSA
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SULLA VARIABILITA’ EMISSIVA
CRITICITÀ
 IPOTESI DI RELAZIONE DIRETTA FRA EMISSIONI E CONCENTRAZIONI.
 LA RISOLUZIONE SPAZIALE TRATTATA NON PUÒ SUPERARE QUELLA DEL DATA BASE A DISPOSIZIONE.
UTILIZZANDO LA BASE DATI DI MINNI CRITICITÀ
GIÀ PER LE STAZIONI DI FONDO URBANO.
POTENZIALITÀ
 IL METODO CONSENTE DI INDIVIDUARE RAPIDAMENTE LE AREE DI MAGGIORE VARIABILITÀ EMISSIVA SU
SCALA REGIONALE-NAZIONALE.
 LE MAPPE DI VARIABILITÀ EMISSIVA SONO UTILIZZABILI PER LA PROGETTAZIONE DI RETI DI
MONITORAGGIO “EX-NOVO”.
 È POSSIBILE UNA STIMA QUANTITATIVA APPROSSIMATA DELLA RAPPRESENTATIVITÀ DI STAZIONI ESISTENTI.
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SULL’ANALISI DI CAMPI DI CONCENTRAZIONE
UN PUNTO DI MISURA È RAPPRESENTATIVO DI UN’AREA PIÙ VASTA QUANDO È MAGGIORE DEL 90% LA PROBABILITÀ CHE NEL TEMPO LA
DIFFERENZA TRA IL VALORE MISURATO NEL SITO E QUELLO MISURATO NELL’AREA SIA MINORE DI UNA CERTA SOGLIA (20%)
C(X,Y,Z,t)
CAMPI 4D (3D NELL’EVOLUZIONE TEMPORALE)
DI CONCENTRAZIONE FORNITI DAL MODELLO
NAZIONALE MINNI
(RISOLUZIONE 4 km x 4 km)
Punti nei quali,
nel confronto
delle serie
temporali, la
condizione
C/C<0.2
è verificata più
del 90 % dei casi
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SULL’ANALISI DI CAMPI DI CONCENTRAZIONE
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SULL’ANALISI DI CAMPI DI CONCENTRAZIONE
POTENZIALITÀ
 TRATTAZIONE SIA DI INQUINANTI PRIMARI CHE SECONDARI
 ACCURATA DEFINIZIONE DELL’AREA DI RAPPRESENTATIVITÀ E DELLA SUA FORMA
NON NECESSARIAMENTE SIMMETRICA NÉ TANTO MENO CIRCOLARE
 FLESSIBILITÀ DELLA PROCEDURA SVILUPPATA
STUDIO DELLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE DI UN SITO E INSIEME VALUTAZIONE DELLA VARIABILITÀ DI TALE STIMA
CRITICITÀ
LA RISOLUZIONE SPAZIALE
TRATTATA
NON
PUÒ
SUPERARE
QUELLA
DEL
DATA
BASE
SVILUPPI
AUMENTO DELLA RISOLUZIONE SPAZIALE DEI
CAMPI C(X,Y,Z,t) UTILIZZATI PER L’ANALISI.
A
DISPOSIZIONE.
UTILIZZANDO LA BASE
DI MINNI CRITICITÀ
PER
LE
STAZIONI
DATI
GIÀ
DI
FONDO URBANO.
Analisi effettuata sui campi MINNI a risoluzione
4 km (sinistra) e 1 km (destra).
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SULL'USO DI BACKWARD TRAJECTORIES
CARATTERIZZAZIONE ANEMOLOGICA DEI SITI (REGIMI PREVALENTI DI TRASPORTO DELLE MASSE D’ARIA)
M-TraCE
MINNI module for
Trajectories Calculation and statistical Elaboration
DESCRIZIONE DEI REGIMI PREVALENTI.
VALUTAZIONE
QUALITATIVA DEL BACINO DI INFLUENZA.
MAXIMUM DISTANCE
RELATED TO ATMOSPHERIC TRANSPORT AND CONVERSION
(Spangl et al. 2007)
ESPERIENZA DI ENEA SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
METODO DI STIMA BASATO SULL'USO DI BACKWARD TRAJECTORIES
CRITICITÀ
METODOLOGIA NON ADATTA AD UNA STIMA QUANTITATIVA DELL’AREA DI RAPPRESENTATIVITÀ
POTENZIALITÀ
PARTICOLAREGGIATA CARATTERIZZAZIONE ANEMOLOGICA DI UN SITO
 coerenza della stima effettuata con quanto ottenuto da altri approcci
 possibile utilizzo del metodo a supporto di altre metodologie, caratterizzando e isolando l’effetto della
sola meteorologia
 identificazione della regione di influenza del sito dal punto di vista meteorologico
 valutazione della coerenza della classificazione EoI del sito
VALORIZZAZIONE DELLA DISPONIBILITÀ DEL DATA BASE MINNI
 possibilità di effettuare un’analisi anemologica su un’ampio campione statistico
 studio dell’effetto della variabilità meteorologica (inter-annuale e giornaliera)
OPPORTUNITÀ
ALTRE POSSIBILI APPLICAZIONI DEL NUOVO TOOL M-TraCE





Supporto e integrazione in studi di rappresentatività spaziale
Pianificazione di nuove reti
Interpretazione di misure sperimentali
Supporto a validazioni modellistiche di qualità dell’aria
ecc…
PRINCIPALI RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
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http://fairmode.ew.eea.europa.eu/monitoring-modelling-sg1/monitoring-representativeness-survey-results-v1.pdf
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ground
based
monitoring
data.
Blanchard C.L., Carr E.L., Collins J.F., Smith T.B., Lehrman D.E., Michaels H.M. (1999): Spatial representativeness and scales of transport during the 1995 integrated monitoring study in
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Brauer M., Hystad P., Poplawski K. (2011): Assessing the Spatial Representativeness of PM2.5 and O3 Measurements from the National Air Pollutant Surveillance System. Prepared
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Janssen S., Dumont G., Fierens F., Mensink C. (2008): Spatial interpolation of air pollution measurements using CORINE land cover data. Atmospheric Environment 42, 4884-4903.
Janssen S., Dumont G., Fierens F., Deutsch F., Maiheu B., Celis D., Trimpeneers E. and Mensink C. (2012): Land use to charachterize spatial representativeness of air quality monitoring
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Joly M. and Peuch V.H. (2011): Objective classification of air quality monitoring sites over Europe. Atmospheric Environment, 47, 111-123.
Larssen S., Sluyter R., and Helmis C. (1999): Criteria for EUROAIRNET – The EEA Air Quality Monitoring and Information Network. Tech. rep. 12, European Environment Agency,
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Nappo C. J., Caneill J. Y., Furman R. W., Gifford F. A., Kaimal J. C., Kramer M. L., Lockhart T. J., Pendergast M. M., Pielke R. A., Randerson D., Shreffler J. H.,Wyngaard J. C.
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Venegas L.E. and Mazzeo N.A (2010): An ambient air quality monitoring network for Buenos Aires city. International Journal of Environment and Pollution, 40 (1-3), 184-194.
IL NOSTRO LAVORO SULLA RAPPRESENTATIVITÀ SPAZIALE
Cremona G., Ciancarella L., Cappelletti A., Ciucci A., Piersanti A., Righini G., Vitali L. (2013), Rappresentatività spaziale di
misure di qualità dell‟aria. Valutazione di un metodo di stima basato sull‟uso di dati emissivi spazializzati. Rapporto Tecnico
RT/2013/2/ENEA, ENEA. http://openarchive.enea.it//handle/10840/4474
Piersanti A., Ciancarella L., Cremona G., Righini G., Vitali L. (2013a), Rappresentatività spaziale di misure di qualità dell‟aria.
Valutazione di un metodo di stima basato su fattori oggettivi. Rapporto Tecnico RT/2013/1/ENEA, ENEA.
http://openarchive.enea.it//handle/10840/4475
Piersanti A. , Righini G., Russo F., Cremona G., Vitali L., Ciancarella L. (2013b), Spatial representativeness of air quality
monitoring stations in Italy. Poster presentation. Proceedings of the 15th Conference on Harmonisation within Atmospheric
Dispersion
Modelling
for
Regulatory
Purposes
6-9
May
2013,
Madrid,
Spain.
http://www.harmo.org/Conferences/Proceedings/_Madrid/publishedSections/H15-66.pdf
Righini G., Cappelletti A., Cionni I., Ciucci A., Cremona G., Piersanti A., Vitali L., Ciancarella L. Methodologies for the
evaluation of spatial representativeness of air quality monitoring stations in Italy. Energia, Ambiente e Innovazione. Rivista
bimestrale dell'ENEA. ISSN 11240016. Anno 59. 1-2 gen./apr. 2013, 60-68.
http://www.enea.it/it/produzione-scientifica/pdf-eai/n.1-2-gennaio-aprile-2013/12-air-quality-monitoring-stations-pdf
Vitali L., Ciancarella L., Cionni I., Cremona G., Piersanti A., Righini G. (2013a), Rappresentatività spaziale di misure di qualità
dell‟aria. Valutazione di un metodo di stima basato sull‟analisi dei campi di concentrazione simulati dal Modello Nazionale
MINNI. Rapporto Tecnico RT/2013/3/ENEA, ENEA. http://openarchive.enea.it//handle/10840/4477
Vitali L., Cionni I., Cremona G., Piersanti A., Righini G., Ciancarella L. (2013b), Rappresentatività spaziale di misure di qualità
dell'aria. Valutazione di un metodo di stima basato sull'uso di BACKWARD TRAJECTORIES. Rapporto Tecnico
RT/2013/15/ENEA, ENEA. http://openarchive.enea.it//handle/10840/4736