Modelli numerici per lo studio della dispersione
di inquinanti in atmosfera
STEFANO ALESSANDRINI
Gruppo modellistica atmosferica CESI
INDICE
 Presentazione delle attività del gruppo di modellistica dell’atmosfera
del CESI
 tipologie di modelli utilizzati
 descrizione di 3 modelli con alcuni esempi di applicazione
Le nostre attività
 Attività di ricerca finanziate dal Ministero del Tesoro
 Attività per terzi (Valutazioni di impatto ambientale di centrali
elettriche)
 Il gruppo di modellistica atmosferica comprende 7 persone
orientate verso le varie tipologie di modelli e attività
 20 anni di esperienza in questo settore
Cosa è un modello di dispersione?
 Data una emissione di una certa sostanza in atmosfera (boundary
layer) calcola le concentrazioni di questa sostanza nei punti dello
spazio circostanti
 Lo scopo di una simulazione modellistica può essere quello di un
confronto delle concentrazioni calcolate con quelle di riferimento
della normativa di legge oppure di verificare l’impatto di una
variazione dello scenario emissivo (ad es. modifiche di un impianto
di generazione o flussi di traffico)
Tipologie di modelli utilizzate al CESI
 Modelli euleriani (STEM, CAMX) di chimica e trasporto, sorgenti
puntuali o diffuse, risoluzione orizzontale max  1 Km in orizzontale
 Modelli gaussiani (ISC3ST) sorgenti puntuali o diffuse dominio di
calcolo  25x25 Km2, risoluzione orizzontale max  100 m
 Modelli lagrangiani a particelle (SPRAY), sorgenti puntuali o diffuse
dominio di calcolo  25x25 Km2, risoluzione orizzontale max  100
m
Modelli di chimica e trasporto
 Finalizzati alla ricostruzione dell’inquinamento secondario:
Ozono troposferico, Particolato, deposizioni acide
 Modelli euleriani tridimensionali a griglia
 Sono in grado di ricostruire i seguenti processi:
Emissioni da sorgenti areali e puntuali
Trasporto e diffusione turbolenta
Trasformazioni chimiche (fase gas e fase aerosol)
deposizione secca e umida
 Inquinanti considerati:
NOX, O3, VOC, HNO3, SO2, H2SO4, NH3, PPM
Modelli di chimica e trasporto
 Domini di calcolo
Orizzontale: 200-2000 km con risoluzione da 1 a 100 km
Verticale: 5000-10000 m con risoluzione crescente (30-1000 m)
 Aspetti numerici
Integrazione eq. chimiche: circa 80% delle risorse di calcolo
Fase gas: schemi espliciti/impliciti in funzione della reattività
Fase aerosol: ottimizzazioni per il calcolo dell’equilibrio
termodinamico (stato di equilibrio che minimizza l’energia libera)
Sistema modellistico
Campi
meteorologici
ECMWF
Misure Meteorologiche
al suolo e di profilo
Inventari delle emissioni
Processore
METEOROLOGICO
CALMET o RAMS
Campi
meteorologici
Concentrazioni
modello EMEP
Condizioni
al contorno
BOUNDY
Dati orografici e
territoriali
Processore delle
EMISSIONI
Campi emissivi
Modello di
CHIMICA e
TRASPORTO
Concentrazioni
degli
inquinanti
Indicatori di
attività
Misure di
Qualità dell’aria
Esempi di casi studio - progetto CITYDELTA
5150
5150
5100
70
SONDRIO
SONDRIO
5100
TRENTO
TRENTO
5000
(UTM - km)
(UTM - km)
VARESE
VARESE
5050
BERGAMO
BERGAMO
5050
BRESCIA
BRESCIA
MILANO
NOVARA
MILANO
VERONA
VERONA
NOVARA
5000
TORINO
PIACENZA
TORINO
PIACENZA
ALESSANDRIA
ALESSANDRIA
4950
PARMA
PARMA
4950
MODENA
MODENA
GENOVA
4900
400
4900
450
GENOVA
500
550
600
70
65
65
60
60
5555
5050
4545
4040
3535
3030
25
25
20
20
15
15
10
5 10
05
0
[ug/m3]
[ug/m3]
650
(UTM - km)
400
450
500
550
600
650
(UTM - km)
O3 - Media apr/sett 1999
PM10 - Media annuale 1999
Esempi di casi studio - progetto CITYDELTA
 Caratteristiche della simulazione
Codice utilizzato: CAMx (Environ U.S.A.)
Calcolatore: 1 PC Linux (2.2 Ghz con 640 Mb di memoria RAM)
Compilatore: Portland per Fortran 77
Parallelizzazione: no
Modalità di simulazione: su base giornaliera con restart
Time step
trasporto orizzontale: 1-5 minuti
chimica: inferiore al minuto
Tempo macchina
 1 giorno di simulazione: 1h 30’
 1 anno di simulazione: circa 22 giorni
Il modello gaussiano ISC3ST
 Necessita di un input
meteorologico orario che
comprende (velocità e
direzione del vento,
temperatura dell’aria, classe di
stabilità)
 Risolve una equazione del
tipo:
ha
he
ht
hs
condizioni stabili (categorie E, F)
 y2 
 z  hm 2 
 exp 
C ( x, y , z ) 
exp  

2 
2

2 y zU
2

2

y 
z



ha
Q
he
ht
hs
condizioni instabili e neutre (categorie A, B, C, D)
Il modello gaussiano ISC3ST
 Pregi
facile utilizzo (rivolto anche ad utenti “poco esperti”)
input meteorologico semplice
run molto veloci (poche ore di calcolo su un singolo processore
Pentium 2.2 Ghz per 3-4 anni di simulazione)
consente di confrontarsi con i limiti di legge (percentili e medie
annuali)
 Difetti
sovrastima delle concentrazioni specie in presenza di orografia
complessa (l’orografia viene introdotta solo dando diverse altezze ai
recettori)
non applicabile in situazioni poco stazionarie (regimi di brezza in
presenza, ad esempio, dell’interfaccia terra-mare) o con forti
disomogeneità spaziali (stratificazione verticali)
ogni ora di simulata non tiene conto del “passato”
Simulazione di lungo periodo: ISCST3
Confronto con la normativa
Normativa
Parametro
Biossido di azoto (NO2)
Valore limite 203/88
98° percentile orario
D.M. 2 Apr 2002 n.60
Media annuale
Concentrazione superata per 18h/anno
D.M. 2 Apr 2002 n.60
(percentile orario 99.7945)
Biossido di zolfo (SO2)
Valore limite 203/88
Valore limite 203/88
D.M. 2 Apr 2002 n.60
D.M. 2 Apr 2002 n.60
D.M. 2 Apr 2002 n.60
Particolato (PM10)
Valore limite 203/88
D.M. 2 Apr 2002 n.60
D.M. 2 Apr 2002 n.60
D.M. 2 Apr 2002 n.60
Limite
(µg/m3)
200
40
200
50° percentile giornaliero
98° percentile giornaliero
Media annuale (Protezione ecosistemi)
Concentrazione superata per 3g/anno (percentile
giornaliero 99.1781)
Concentrazione superata per 24h/anno
(percentile orario 99.7260)
80
250
20
95° percentile giornaliero
Media annuale
Concentrazione superata per 35g/anno - Fase 1
(percentile giornaliero 90.4110)
Concentrazione superata per 7g/anno - Fase 2
(percentile giornaliero 98.0822)
300
40 - 20
125
350
50
50
Esempi di applicazione
Disposizione recettori
Mappa del 99.8 percentile di NO2
Il modello di calcolo SPRAY
 Modello lagrangiano a particelle per terreno complesso
 La dispersione degli inquinanti viene ricostruita schematizzando
l'emissione attraverso un insieme di unità di piccolissime dimensioni
di massa nota
 Ogni particella segue una diversa realizzazione (evoluzione) del
flusso turbolento
Il modello SPRAY
 Finalizzato alla ricostruzione dell’inquinamento primario in
condizioni disomogenee (ad es. regimi di brezza)
 E’ in grado di considerare sorgenti puntali, lineari (strade) o areali
anche con emissioni discontinue nel tempo
 il dominio considerato solitamente è  25x25 Km2 ma non vi è un
limite superiore alle dimensioni del dominio
 la risoluzione orizzontale del campo delle concentrazioni è di circa
100m, può diminuire emettendo un numero maggiore di particelle,
si calcola:
1 M
c( xi , t ) 
Vj
( m)
Q

(
x
'

X
(t )) dx'

m 1  j
Il modello di calcolo SPRAY
 Basato su 3 equazioni di Langevin per le velocità casuali (Thomson
1987)
du  a( x, u )dt  b( x, u )dW (t )
dx  U  u dt
 U è la velocità media del vento
a( x, u )dt
 è il termine deterministico che dipende da PE(x,u)
b( x , u )dW (t )
 è il termine stocastico dove dW(t) è un processo incrementale di
Wiener, dt ( numero casuale media zero e varianza 1)
 si assume PE(x,u) gaussiana perle componenti orizzontali, e non
gaussiana verticalmente, per tenere conto delle disomogeneità
verticali e della convezione
Il modello SPRAY: schema di funzionamento
30
500
25
400
20
300
°C
600
15
200
Temperatura
10
100
Net
Radiation
24
23
22
21
19
20
18
17
16
15
14
13
12
9
8
7
6
5
3
4
2
1
0
11
0
0
10
5
-100
ore
2D
USE
2D LAND
LAND USE
Campo di vento 3D
CROMET
CROMETFILE
FILE
3D WIND FIELD
Campo di vento
e turbolenza
prognostico
RAMS+ MIRS
EMISSIONI
TURKEY
RUN
PARAMETERS
SPRAY code
CONCENTRATION
CONCENTRATION
FILE
3D METEO
+TURBULENCE
PARTICLE FILE
W/m2
Temperatura e Radiazione netta
35
Campo di vento e turbolenza: 2 approcci
Diagnostico
Minerve+Turkey
Prognostico
RAMS-MIRS
Esempio di simulazione
Campo di vento
Campo di concentrazioni
Particelle
Il modello SPRAY
 Pregi
simula condizioni disomogenee e convettive
può considerare qualsiasi tipo di forma e dimensioni della sorgente
di inquinante
è “facilmente” parallelizzabile con alta efficienza, ogni particella si
muove indipendentemente dalle altre
 Difetti
tempi di calcolo elevati
risulta complicato effettuare delle simulazioni di lungo periodo
non considera le reazioni chimiche degli inquinanti emessi
richiede un input meteorologico accurato
Il modello Spray: alcuni dettagli
 codice Fortran 90/77
 compilatore Portland per LINUX
 Tempi di calcolo: 90% utilizzato per spostare le particelle quindi la
durata di una simulazione dipende soprattutto dal numero di
sorgenti (particelle emesse)
 Solitamente per una sorgente puntuale (camino di un impianto di
generazione) su un PC Pentium 2,2 Ghz 1 giorno di simulazione  6
ore di calcolo (1 anno  90 giorni)
 La durata di una simulazione su un cluster di 7 Pc Linux è  1/7
vista l’alta efficienza di parallelizzazione
Spray: sviluppi futuri
 Parallelizzazione effettiva usando le librerie MPI (implementate su
Linux con il pacchetto free Mpich)
 algoritmi di deposizione secca e umida
 reazioni chimiche per gli inquinanti primari (modelli 2 particelle,
accoppiamento con un euleriano semplice)
 NO2  O 2
NO  O3 
h ;O
NO2 2  NO  O3
dC NO2
dt
 kCNO CO3