Dispersione di particolato atmosferico da
incendio boschivo in area mediterranea:
un approccio modellistico
C. Pizzigalli (1), R. Cesari (2), A. Maurizi (2),
M. Mircea (3) , M. D’Isidoro (3) , F.Tampieri (2)
(1) Saipem S.P.A, Fano (PU)
(2) ISAC-CNR (LE, BO)
(3) ENEA Centro Ricerche, (BO)
motivazioni
9 L’Area Mediterranea è spesso interessata da episodi di inquinamento
fotochimico e di alte concentrazioni di particolato atmosferico.
9 Nell’ Area Mediterranea si verificano spesso episodi di incendi boschivi.
immagine MODIS
Algeria 29/08/07
immagine MODIS Grecia 25/08/2007
9 Le emissioni di gas e particolato derivanti da incendi boschivi hanno un
importante impatto sulla qualità dell’ aria, sul budget radiativo della terra e
quindi sul clima, sia a scala regionale, che globale.
¾ Esigenza di includere tali emissioni in un modello di composizione chimica
dell’atmosfera.
modello di emissione da incendi
9 stima dei flussi di emissione
9 stima delle altezze di emissione
informazioni necessarie
9 dati da satellite per la localizzazione e la durata dei fuochi
9 database di vegetazione per la zona di interesse
stima dei flussi di emissione
Ei = A ∗ B ∗ CE ∗ ei
(Seiler e Crutzen, 1980)
9 Ei (kg ∆t -1), è l’emissione della specie i nel tempo ∆ t
9 A (m2 ∆t-1), è l’area bruciata nel tempo ∆ t
9 B (kg m-2), è il fuel load (massa di biomassa per area)
9 CE (adimensionale) è l’efficienza di combustione
9 ei è il fattore di emissione per la specie i (g kg-1).
stima dei flussi di emissione
9 B, ei , CE dipendono dal tipo di vegetazione (Whyedinmier et al. 2006)
Classi di
vegetazione
della mappa UMD
Global Land
Cover
Classification
1
Evergreen Needleleaf Forest
2
Evergreen Broadleaf Forest
3
Deciduous Needleleaf Forest
4
Deciduous Broadleaf Forest
5
Mixed Forest
6
Woodland
7
Wooded Grassland
8
Closed Shrubland
9
Open Shrubland
10
Grassland
11
Cropland
12
Bare Ground
13
Urban and Built
14
Water
incertezze nella stima delle emissioni
9Specie emesse:
gas: CO2, CO, NOx, NH3, SO2 , NMHCs, CH4 aerosol: PM10, PM2.5
9Ciclo diurno-modulazione oraria (WRAP, 2005)-picco nel primo pomeriggio
stima delle altezze di emissione
9 Altezza di emissione decisa in base al tipo di vegetazione
9 Utilizzo di modelli lagrangiani backward
9 Modulazione oraria (WRAP, 2005)
•
Stima dell’ altezza massima e minima in cui e’ compresa l’emissione di
ogni incendio in funzione dell’ estensione del fuoco
Classe
•
1
2
3
4
5
Ptopmax(m)
160
2400
6400
7200
8000
Ptopmin(m)
0
900
2200
3000
3000
Calcolo di Ptophour e Pbothour come modulazione diurna di Ptopmax e Ptopmin
incertezze
9identificazione temporale del fuoco (inizio e fine)
9identificazione spaziale (l’area bruciata)
9evoluzione del fuoco (la distribuzione nel tempo delle emissioni)
9altezza delle emissioni
9database di vegetazione
modulazione diurna WRAP2005 es.
• modulazione oraria delle emissioni
di PM2.5 in tons il 26 Agosto 2007
(lon = 21.7°E lat=37.5°N)
• modulazione diurna della altezza di emissione
minima e massima (metri) il 25 Agosto 2007
(lon=21,7° lat=37,5°)
prebolchem_fire
Longitudine/latitudine
dei punti di fuoco
mappa di vegetazione
prebolchem_fire
fuel load
EC
Modulazione oraria
emissioni
Modulazione oraria
altezze di emissione
•make_fire_emission_saprac90.F90
•make_fire_emission_aero3.F90
•make_fire_height.F90
Ptopmax e Ptopmin
BE_hour e BE_size
ei
•flussi di emissione
•altezze di emissione
BOLCHEM flow chart
Initial and boundary conditions
Aerosol Removal:
dry and wet
Modelled Aerosol Emissions:
sea salt - dust - forest fire
Meteorological Model:
BOLAM
+
Transport and Diffusion
Gas Removal:
dry and wet
Topography data
Aerosol Model:
aero3
Aerosol optical properties
Cloud condensation nuclei
Heterogeneous chemistry
U,v,T,p,q,radiative fluxes
Modelled Gas Emissions:
biogenic - forest fire
Land Use Data
Gas Chemistry:
SAPRC90
Gas and Aerosol Anthropogenic Emissions
caso studio: estate 2007
incendi Grecia, Albania, Algeria
•
mappa dei fuochi attivi dal 22 al 31 Agosto 2007
confronto emissioni
prebolchem_fire
FINNv1 (Fire INventory from NCAR version 1.0)
based on
MODIS “Burned Area Product”
based on
“Fire Radiative Power operational MODIS product ”
• emissioni giornaliere di CO, NO2, PM2.5 e PM10 dagli incendi in Grecia, Albania e Algeria
calcolate da FINNv1 e prebolchem_fire
confronto emissioni
* FINNv1
* prebolchem_fire
• emissioni totali di CO, NO2, PM2.5 e PM10 dagli incendi in Grecia, Albania e Algeria per il
periodo 22 - 31 agosto 2007 calcolate da FINNv1 e prebolchem_fire
differenze tra i due data set dovute a :
9differente mappa di vegetazione,
9differenti algoritmi utilizzati per l’individuazione dell’area bruciata
BOLCHEM set up
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Periodo Æ 22-31 Agosto 2007
Dominio Æ Europa e Africa del Nord
Risoluzione orizzontale Æ 0.25° X 0.25°
Risoluzione verticale Æ 40 livelli verticali in coordinate sigma per la meteorologia,
20 per la chimica.
Step temporale Æ 200 s
Condizioni iniziali e al contorno METEO Æ Campi meteorologici da ECMWF
(analisi) ogni 6 ore
Condizioni iniziali e al contorno CHIMICA Æ campi chimici da ECMWF (analisi
per progetto GEMS) ogni 6 ore
Emissioni Antropogeniche Æ data set TNO (TNO 2007)
Emissioni biogeniche Æ calcolate on line (GEMS/NKUA (Symeonidis et al,2007) )
Emissioni da incendi Æ calcolate dal pre-processore delle emissioni sviluppato
NOx = 95%NO2 + 5% NO
PM2.5 = 6% BC + 84% OC + 6% S
SIMULAZIONI: ant+bio / ant+bio+fire (diversi set up di emissioni, altezze)
Æ fire (diff)
mappe di concentrazione di BC
a)
c)
b)
d)
• mappe di concentrazione di BC (µg/m3) per il giorno 30 agosto 2007 ore 17UTC:
(a) sim bio-ant-fire wrap2005 e (c) fire al suolo; (b) sim bio-ant-fire wrap2005 e (d) fire a 850Hp
confronto dati sperimentali
(a)
(b)
BC(µg/m3) a 850Hp sim fire
30 agosto 2007 ore 18 UTC
(c)
(d)
• profili lidar a 532nm e 355nm - stazione PEARL
(Tito Scalo, Potenza (40,63 N, 15,80 E, 760 m a.s.l.)),
30 agosto 2007, 18UTC
Pizzigalli + bolchem group (Cesari, D'Isidoro, Maurizi, Mircea),
Nuovo Cimento C – Colloquia and Communications in Physics,
2012 (in press)
• profili verticali simulati, stazione PEARL
30 agosto 2007, (a) 18UTC, (b) 19UTC, (c) 20UTC,
(d) 21UTC
confronto dati sperimentali
• profili lidar a 532nm e 355nm
stazione PEARL
30 agosto 2007, 18UTC
• profili verticali simulati, stazione PEARL
30 agosto 2007, 21UTC
confronto dati sperimentali
FLEXPART 30-31 agosto 2007
• centroide delle back-trajectories
• 300000 traiettorie rilasciate ogni ora
• tempo di integrazione 10 giorni
• altezza geopotenziale e campo di vento a 500Hp
29/08/2007 ore 12 UTC
sviluppi futuri
¾ ulteriori modulazioni diurne delle altezze e delle emissioni
¾ confronto con misure in situ e misure ottiche
¾ modello di plume rise (processo sub-grid)
¾ altri casi studio
grazie per l’attenzione