Il sistema modellistico di valutazione e previsione-diagnostica

ARIA - Modellistica - Il sistema modellistico di valutazione e previsione-prognostica

Negli ultimi anni una delle principali attività svolte da Arpa Piemonte nell'ambito della modellistica di qualità dell'aria è stata incentrata sullo sviluppo e implementazione di un sistema modellistico, basato sull'applicazione dei modelli euleriani di trasporto, dispersione e trasformazione chimica di inquinanti in atmosfera (Chemical Transport Models), in grado di produrre simulazioni ad elevata risoluzione di campi tridimensionali di concentrazione dei principali inquinanti atmosferici su tutto il territorio regionale. In Figura 1 è rappresentata schematicamente l'architettura del sistema, il cui cuore è il modello di qualità dell'aria, il modello euleriano di chimica e trasporto FARM. Il modello FARM, sviluppato dalla società Arianet con la quale Arpa collabora nelle attività legate alla modellistica di qualità dell'aria, tratta tutti gli inquinanti atmosferici normati (O₃, NO₂, NOx, PM₁₀, PM_2.5, CO, SO₂, benzene), implementa meccanismi chimici di varia complessità per il trattamento della fotochimica e del particolato, è in grado di lavorare su domini ad orografia complessa in modalità multiscala, con più griglie innestate di differenti risoluzioni, tratta la chimica in fase acquosa ed eterogenea, oltre ai processi di deposizione secca ed umida.


Figura 1: il sistema modellistico di valutazione e previsione

Il sistema modellistico utilizza in ingresso molteplici dataset che componenti specifiche elaborano in modo da produrre, sui domini di simulazione, tutti i dati in ingresso necessari al modello di qualità dell'aria. In sintesi i principali elementi che compongono il sistema, schematizzati in Figura 1, possono essere riassunti in:

un modulo territoriale che, a partire dalle basi dati territoriali (orografia, uso del suolo, cartografia tematica), costruisce i campi dei parametri geofisici territoriali sui domini di simulazione;
un modulo di interfaccia meteorologico che, a partire dai dati meteorologici di ingresso (osservazioni al suolo e in quota e/o campi tridimensionali, previsti o analizzati, di modelli meteorologici a mesoscala), costruisce, sui domini di simulazione, i campi meteorologici tridimensionali e bidimensionali di turbolenza utilizzati dal modello di qualità dell'aria;
un modulo delle emissioni che, a partire dagli inventari delle emissioni disponibili sui domini di simulazione, costruisce i campi bidimensionali orari dei ratei di emissione per tutte le specie chimiche trattate dal modello di qualità dell'aria;
il modulo per le condizioni iniziali e al contorno che, a partire dai campi tridimensionali di concentrazione di un modello di qualità dell'aria a mesoscala e/o dai dati chimici osservati, prepara i campi di condizioni iniziali e al contorno sui domini di simulazione;
un modulo di post-elaborazione che elabora i campi tridimensionali di concentrazione per produrre campi aggregati di indicatori, secondo quanto richiesto dalla normativa comunitaria e nazionale e calcola, mediante opportuni algoritmi di mediazione, i valori di concentrazione sui singoli comuni piemontesi e l'indice di qualità dell'aria previsto sull'area metropolitana torinese;
un modulo di analisi che, per gli inquinanti a maggiore criticità, assimila i dati osservati di qualità dell'aria all'interno dei campi simulati dal sistema modellistico, ai fini di ridurre al minimo l'errore di simulazione ed ottenere la migliore stima possibile della qualità dell'aria sul territorio regionale, utilizzando tutte le informazioni disponibili.

Il sistema modellistico di valutazione e previsione è attualmente operativo in due differenti configurazioni, la versione diagnostica per le valutazioni di lungo periodo utilizzata a partire dall'anno 2005 e la versione prognostica, implementata sperimentalmente nel 2006 e resa operativa dal 2007, in grado di produrre le previsioni di qualità dell'aria per il giorno di emissione ed i due giorni successivi.

La versione diagnostica

Il sistema modellistico in versione diagnostica di lungo periodo è stato sviluppato da Arpa Piemonte per supportare la Regione Piemonte nell'effettuazione della Valutazione Annuale della Qualità dell'Aria (nel seguito VAQA) sul territorio regionale, in ottemperanza ai compiti istituzionali previsti dalla normativa nazionale e comunitaria. A partire dal 2005, ogni anno, entro il mese di giugno, vengono effettuate le simulazioni relative alla VAQA dell'anno precedente; le simulazioni sono condotte con cadenza oraria su un dominio che comprende, oltre all’intera regione Piemonte, anche la Valle d’Aosta, si spinge fino alle province di Genova e Savona a sud e include ad est la parte più orientale della Lombardia, fino all'area milanese, con una risoluzione orizzontale di quattro chilometri (Figura 2). Verticalmente il dominio è sviluppato su dodici livelli che ricoprono integralmente il Planetary Boundary Layer (PBL), con una risoluzione maggiore negli strati più bassi dell'atmosfera.
Il modulo meteorologico utilizza in questa implementazione un approccio diagnostico. Le variabili termiche e dinamiche del PBL (temperatura, componenti orizzontali e componenti verticali del vento) sono ottenute con un modello diagnostico mass-consistent (Minerve, Aria Technologies) basato sulla conservazione della massa e sulla minimizzazione della divergenza del campo di vento, a partire dall’ampia dotazione di dati provenienti dalle osservazioni della rete meteoidrografica di Arpa, dalle misure delle stazioni del Global Telecommunication System (GTS) e dalle elaborazioni della modellistica numerica di European Centre for Medium range Weather Forecast (ECMWF). I parametri di turbolenza e le velocità di deposizione secca per le diverse specie chimiche vengono calcolati a partire dai campi prodotti da Minerve dal modulo di interfaccia micro-meteorologico (SurfPRO, Arianet) con parametrizzazioni basate sulla teoria di Monin-Obukhov e sui metodi di bilancio energetico superficiale. I campi bidimensionali dei ratei di emissione per tutte le specie chimiche trattate dal modello di qualità dell'aria, modulati temporalmente su base oraria vengono prodotti dal modello delle emissioni a partire dall’Inventario Regionale delle Emissioni in Atmosfera (IREA) aggiornato all’anno della simulazione (o relativo al più recente aggiornamento) con dettaglio su macrosettore, settore e attività secondo le categorie SNAP (classificazione CORINAIR), opportunamente integrato con le informazioni riguardanti gli inventari emissivi dei territori confinanti e compresi nel dominio di calcolo (INEMAR per la Lombardia, Inventario Regionale della Valle d’Aosta, CORINAIR per le altre regioni italiane ed EMEP per le regioni estere). Le condizioni al contorno vengono predisposte a partire dalle simulazioni di analisi condotte su scala continentale con il modello CHIMERE messe a disposizione dal servizio Prev'Air (http://www.prevair.org), all'interno delle quali vengono assimilati le osservazioni di qualità dell'aria provenienti dalle stazioni di rilevamento disponibili nel dominio di calcolo.


Figura 2: campo di media annuale di biossido di azoto, prodotta dal sitsema modellistico diagnostico pe l'anno 2009

A valle delle simulazioni di dispersione, il modulo di post-elaborazione produce le mappe tematiche su griglia e su base comunale, calcola i campi degli indicatori di lungo periodo richiesti dalla normativa e necessari per procedere alla valutazione del territorio in relazione allo stato di qualità dell'aria, ed effettua una prima verifica delle prestazioni del sistema, con particolare riferimento agli obiettivi di qualità per la modellizzazione richiesti dalla normativa nazionale e comunitaria.