Aerosol long term simulation using
TCAM model
C. Carnevale, G. Finzi, E. Pisoni, M. Volta
Department for Electronics and Automation
University of Brescia
DEA - Università degli Studi di Brescia
Index
1.
2.
3.
4.
5.
The GAMES modelling system
The Transport Chemical Aerosol Model
The CityDelta III base case simulation
Chemical composition of simulated PM10
Conclusion
DEA - Università degli Studi di Brescia
The Gas Aerosol Modelling Evaluation
System (GAMES)
Land use
Topography
MM5
output
Meterological
Pre-processor
3D wind and temperature fields
Turbolence and Boundary Layer parameters
Emission inventories
Emission
Model
Temporal
Profiles
Emission Fields
Initial and
Boundary condition
Pre-processors
Boundary and
Initial condition
TCAM
VOC speciation
Profiles
3D concentration
fields
Continental model
output
System
Evaluation
Tool
DEA - Università degli Studi di Brescia
TCAM (Transport and Chemical Aerosol Model):
Transport and Depostion Module
• Eulerian 3D model
• Terrain-following co-ordinate system
• Horizontal Transport Module: chapeau function +
forester filter
• Vertical Transport Module: Crank-Nicholson hybrid
solver based on the vertical diffusivity coefficient
• Deposition Module
– Dry deposition: resistance-based approach
– Wet deposition: scavenging approach for both gas and
aerosol species
DEA - Università degli Studi di Brescia
TCAM (Transport and Chemical Aerosol Model):
Gas chemical module
• Chemical Mechanism
– CBIV 90
– SAPRC 90/97
– COCOH 97
• Species: 95
• Reactions: 187
• Numerical Solver
– QSSA (explicit)
– IEH (hybrid)
• Fast-Species (12): LSODE (implicit)
• Slow-Species: Adams-Bashforth
(explicit)
DEA - Università degli Studi di Brescia
TCAM (Transport and Chemical Aerosol Model):
Aerosol module
• Chemical Species: 21
– 12 inorganics
– 9 organics
• Size Classes: 10 (da 0.01 mm a 50 mm)
– Fixed moving approach
• Involved Phenomena:
– Condensation/Evaporation
– Nucleation
– SO2 aqueus chemistry
Shell
Core
DEA - Università degli Studi di Brescia
CDIII base case simulation:
computational domain
5150
SONDRIO
TRENTO
5100
(m asl)
3000
Y UTM (km)
VARESE
2800
BERGAMO
2600
BRESCIA
5050
NOVARA
VERONA
MILANO
2400
2200
2000
1800
5000
PIACENZA
1600
1400
ALESSANDRIA
PARMA
4950
1200
MODENA
1000
800
• 300x300 km2
• Horizontal resolution:
5x5 km2
• Vertical resolution: 11
varying thickness levels
– 1st level: 20m
• Simulation year: 2004
600
GENOVA
400
200
4900
0
400
450
500
550
600
650
X UTM (km)
DEA - Università degli Studi di Brescia
CDIII base case simulation:
Gas emission fields
5150
5150
6500
SONDRIO
TRENTO
5100
6000
SONDRIO
TRENTO
5100
5500
5000
VARESE
VOC
BERGAMO
4000
VERONA
MILANO
NOVARA
VARESE
BERGAMO
4500
BRESCIA
5050
BRESCIA
5050
VERONA
MILANO
NOVARA
3500
3000
2500
5000
PIACENZA
5000
PIACENZA
2000
ALESSANDRIA
ALESSANDRIA
1500
PARMA
4950
PARMA
1000
MODENA
500
4950
MODENA
0
GENOVA
NH3
GENOVA
4900
4900
400
450
500
550
600
650
400
450
500
550
600
650
5150
5150
SONDRIO
TRENTO
5100
NOx
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
VARESE
BERGAMO
BRESCIA
5050
NOVARA
VERONA
MILANO
5000
PIACENZA
ALESSANDRIA
PARMA
4950
MODENA
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
SONDRIO
TRENTO
5100
VARESE
BERGAMO
BRESCIA
5050
NOVARA
VERONA
MILANO
5000
PIACENZA
ALESSANDRIA
PARMA
4950
MODENA
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
GENOVA
GENOVA
4900
4900
400
450
500
550
600
650
400
450
500
550
600
650
DEA - Università degli Studi di Brescia
SOx
CDIII base case simulation:
PM emission fields
5150
5150
SONDRIO
TRENTO
5100
VARESE
BERGAMO
PM10
BRESCIA
5050
NOVARA
VERONA
MILANO
5000
PIACENZA
ALESSANDRIA
PARMA
4950
MODENA
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
SONDRIO
TRENTO
5100
VARESE
BERGAMO
BRESCIA
5050
NOVARA
VERONA
MILANO
5000
PIACENZA
ALESSANDRIA
PARMA
4950
MODENA
GENOVA
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
GENOVA
4900
4900
400
450
500
550
600
650
400
450
500
550
600
650
DEA - Università degli Studi di Brescia
PM2.5
CDIII base case simulation:
Monitoring station
5150
Station
SONDRIO
TRENTO
5100
2800
Y UTM (km)
BERGAMO
Saronno
Winter
Mean
Summer
Mean
Osio
42.79
57.83
28.00
Vimercate
42.31
53.64
29.33
Rezzato
49.11
62.13
33.68
Juvara
50.98
61.92
34.41
Limito
43.19
59.62
29.96
Magenta
49.29
59.54
34.07
Verziere
51.83
62.62
37.07
3000
VARESE
5050
(m asl)
Yearly
Mean
Vimercate
MILANOLimito
NOVARA
Magenta Juvara
Verziere
Osio
2600
BRESCIA
Rezzato
VERONA
2400
2200
2000
1800
5000 TORINO
1600
PIACENZA
1400
ALESSANDRIA
1200
PARMA
1000
4950
MODENA
800
600
GENOVA
400
200
4900
0
400
450
500
550
600
650
X UTM (km)
DEA - Università degli Studi di Brescia
CDIII base case simulation:
Yearly Performance
Verziere
Magenta
Limito
Rezzato
Juvara
Verziere
Magenta
Limito
Juvara
Verziere
Magenta
Limito
Juvara
Rezzato
0
TCAM
NBIAS
Rezzato
0.25
Vimercate
1
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1
0.5
Vimercate
Vimercate
OBS
0.75
Osio
Osio
Verziere
Magenta
Limito
TCAM
1
Correlation
95th
Perc
Osio
OBS
Juvara
Rezzato
Vimercate
150
125
100
75
50
25
0
Osio
Mean
80
70
60
50
40
30
20
10
0
DEA - Università degli Studi di Brescia
CDIII base case simulation:
Winter Performances
Verziere
Magenta
Limito
Rezzato
Juvara
Verziere
Magenta
Limito
Juvara
Verziere
Magenta
Limito
Juvara
Rezzato
0
TCAM
NBIAS
Rezzato
0.25
Vimercate
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
0.5
Vimercate
Vimercate
OBS
0.75
Osio
Osio
Verziere
Magenta
Limito
TCAM
1
Correlation
95th
Perc
Osio
OBS
Juvara
Rezzato
Vimercate
175
150
125
100
75
50
25
0
Osio
Mean
100
80
60
40
20
0
DEA - Università degli Studi di Brescia
0
Verziere
0.25
Magenta
0.5
Limito
OBS
Juvara
TCAM
Rezzato
0.75
0.75
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
Vimercate
1
Verziere
Magenta
Limito
Juvara
Rezzato
Vimercate
Osio
Verziere
Magenta
Limito
Juvara
Rezzato
Vimercate
50
40
30
20
10
0
Osio
Verziere
Magenta
Limito
OBS
Juvara
Rezzato
Correlation
Vimercate
Osio
Mean
Osio
CDIII base case simulation:
Summer Performances
100
75
50
25
95th
Perc
0
TCAM
NBIAS
DEA - Università degli Studi di Brescia
CDIII base case simulation:
PM10 concentration maps
5150
Year
SONDRIO
TRENTO
5150
5100
VARESE
5150
SONDRIO
TRENTO
5100
SONDRIO
TRENTO
5100
VARESE
BERGAMO
VARESE
BERGAMO
5050
5050
BRESCIA
MILANO
NOVARA
NOVARA
BRESCIA
VERONA
VERONA
MILANO
5000 TORINO
5000 TORINO
PIACENZA
PIACENZA
ALESSANDRIA
ALESSANDRIA
PARMA
PARMA
4950
MODENA
4950
MODENA
GENOVA
Winter
BERGAMO
BRESCIA
5050
VERONA
MILANO
NOVARA
5000 TORINO
PIACENZA
ALESSANDRIA
PARMA
4950
MODENA
GENOVA
4900
400
450
500
550
600
650
5150
SONDRIO
TRENTO
5100
VARESE
Summer
BERGAMO
BRESCIA
5050
NOVARA
VERONA
MILANO
GENOVA
4900
5000 TORINO
400
4900
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
450
500
550
600
650
PIACENZA
ALESSANDRIA
PARMA
400
450
500
550
600
650
4950
MODENA
GENOVA
4900
400
450
500
550
600
650
DEA - Università degli Studi di Brescia
CDIII base case simulation:
PM10 yearly chemical composition
100%
90%
5150
80%
SONDRIO
NE
TRENTO
5100
NW
3000
N
VARESE
2800
BERGAMO
Y UTM (km)
(m asl)
70%
Other
60%
EC+OC
2600
BRESCIA
5050
NOVARA
MILANO
E
C
VERONA
W
2400
2200
2000
1800
5000 TORINO
50%
SO4=
NO3-
40%
NH4+
1600
PIACENZA
1400
ALESSANDRIA
1200
PARMA
1000
SE
4950
MODENA
800
30%
20%
600
GENOVA
SW
400
S
200
4900
0
400
450
500
550
X UTM (km)
600
650
10%
0%
NW
N
NE
W
C
E
SW
S
SE
DEA - Università degli Studi di Brescia
CDIII base case simulation:
mainly inorganic fraction maps
NO3-
NH4+
5150
5150
0.5
SONDRIO
TRENTO
5100
0.45
0.5
SONDRIO
TRENTO
5100
0.4
0.4
VARESE
VARESE
0.35
BERGAMO
BRESCIA
5050
NOVARA
0.3
BRESCIA
5050
VERONA
MILANO
0.35
BERGAMO
NOVARA
0.25
0.3
VERONA
MILANO
0.25
0.2
5000
0.45
TORINO
PIACENZA
0.15
ALESSANDRIA
0.2
5000
TORINO
PIACENZA
0.15
ALESSANDRIA
0.1
0.1
PARMA
PARMA
0.05
4950
0.05
4950
MODENA
MODENA
0
0
GENOVA
GENOVA
4900
4900
400
450
500
550
600
650
400
450
500
550
600
650
DEA - Università degli Studi di Brescia
Conclusion
• Quite good performance in terms of mean
values both in winter and summer;
• Correlation lower than 0.65 in all the station
– CAUSES?
• TCAM reproduces reasonably the chemical
composition of PM10
– overestimation of ammonium fraction
DEA - Università degli Studi di Brescia
Emission pre-processor (UNIBS)
POllutant Emission Model for CDIII (POEM-CDIII) provides hourly
base case and scenario emission fields for:
CESI
AMA
CAMx
TCAM
JRC data
Chemical
characterization
Gas: CBIV99
PM: 2 size bins,
8 chemical species
Time modulation
Chemical/Size
characterization
Gas: COCOH97
PM: 6 size bins,
8 chemical species
DEA - Università degli Studi di Brescia
Boundary pre-processor (CESI)
• Boundy Module provides hourly base case and scenario boundary
conditions
TCAM
Chimere
Gas: 23 species
PM: 4 size bins
11 chemical species
Gas: 62 species
PM: 10 size bins
21 chemical species
BOUNDY
PM experimental size
profiles
DEA - Università degli Studi di Brescia
CDIII base case simulation:
PM2.5/PM10 concentration map
PM2.5/PM10
Emisison
PM2.5/PM10
Concentration
5150
5150
0.9
SONDRIO
TRENTO
5100
0.85
SONDRIO
TRENTO
5100
0.8
VARESE
VARESE
BRESCIA
5050
NOVARA
1
0.75
BERGAMO
0.7
BERGAMO
BRESCIA
5050
VERONA
MILANO
NOVARA
0.65
VERONA
MILANO
0.75
0.6
5000
0.55
PIACENZA
ALESSANDRIA
5000
TORINO
PIACENZA
ALESSANDRIA
0.5
0.5
PARMA
PARMA
0.45
4950
4950
MODENA
MODENA
0.4
0
GENOVA
GENOVA
4900
4900
400
450
500
550
600
650
400
450
500
550
600
650
DEA - Università degli Studi di Brescia