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Sistemi modellistici

 

Personale:

– Ing. Giuseppe Madonia MODELLISTA (gmadonia@arpa.sicilia.it)

 

Modellistica in ARPA Sicilia

I modelli di qualità dell’aria, suddivisibili in deterministici e statistici in funzione dell’approccio analitico adottato, vengono implementati al fine di stimare le concentrazioni degli inquinanti aerodispersi nella troposfera. La loro applicabilità è fortemente condizionata dalle caratteristiche del singolo modello, dalla specificità del fenomeno che si deve descrivere e dalla disponibilità di informazioni d’ingresso.

I modelli deterministici descrivono quantitativamente i fenomeni che determinano l’evoluzione spazio-temporale della concentrazione degli inquinanti in atmosfera, affrontando il problema della dispersione con livelli di complessità differenti in funzione delle informazioni disponibili e delle finalità dello studio.

In generale si basano sulle relazioni di causa-effetto che esistono fra le emissioni antropiche e/o naturali, entro un campo tridimensionale meteorologico analiticamente ricostruito, e le concentrazioni degli inquinanti nei diversi punti del dominio d’indagine entro il quale operano i modelli.

Per semplificare la descrizione dei numerosi modelli che rientrano nella categoria degli strumenti deterministici è possibile fare riferimento alla quantità e varietà dei fenomeni di cui tengono conto per il calcolo delle concentrazioni atmosferiche.

Una prima suddivisione tiene conto dell’evoluzione temporale dell’inquinamento atmosferico; i modelli stazionari seguono ad esempio un approccio semplificato, considerando una sequenza di stati quasi-stazionari per la descrizione della dispersione in atmosfera di una o più sostanze. Si tratta di strumenti molto utilizzati per la loro semplicità ed economicità d’impiego, che costituiscono un valido strumento di primo approccio per lo studio di realtà non particolarmente complesse.

Unitamente alla discriminante temporale del fenomeno aero-dispersivo è inoltre possibile classificare i modelli in funzione della scala spaziale di applicazione degli stessi, ossia la distanza dalla sorgente entro la quale il modello è in grado di descrivere il fenomeno della dispersione. Si parla in questo caso di modelli a scala locale, a mesoscala oppure a scala regionale, a seconda che descrivano fenomeni in aree di studio (domini) che vanno dalla decina di chilometri, al centinaio, fino al migliaio di chilometri.

Un ulteriore aspetto peculiare di alcuni modelli è la loro capacità di descrivere le reazioni che avvengono fra le diverse sostanze presenti in atmosfera durante l’evoluzioni nel Planetary Boundary Layer (PBL). In tal caso di parla di modelli fotochimici, generalmente complessi, ai quali si demanda il compito di stimare le concentrazioni d’inquinanti primari e secondari negli strati bassi dalla troposfera quali l’ozono, il biossido di azoto e la frazione secondaria del particolato atmosferico (PM10 e PM2.5). I modelli fotochimici, tuttavia, si prestano ad essere impiegati anche in forma semplificata, ammettendo anche i casi in cui si vogliano considerare gli inquinanti come agenti inerti (cioè non reattivi); in tal caso la modalità di descrizione spaziale del fenomeno simulato dipenderà unicamente dall’approccio prescelto (modelli Euleriani, Lagrangiani, bidimensionali, tridimensionali) e dagli algoritmi matematici impiegati nelle attività di simulazione.

I modelli stocastici, invece, prevedono che la stima delle concentrazioni avvenga con tecniche inferenziali, di varia complessità, le quali elaborano la struttura del processo aero-dispersivo spazio-temporale a partire dai dati misurati in una rete di monitoraggio di qualità dell’aria.

ARPA Sicilia, nelle sue attività modellistiche, utilizza prevalentemente modelli di tipo deterministico, incardinati su tagli di scala generalmente locali, in funzione dei distinti ambiti applicativi presso cui opera. In particolare, la sezione modellistica dei Sistemi Informativi di ARPA Sicilia si riferisce alle seguenti tipologie di modelli, la cui applicazione discende dalle opportunità d’impiego discendenti dal particolare scenario esaminato:
– modelli gaussiani a pennacchio: si tratta di modelli che ricorrono ad ipotesi semplificative per la risoluzione dell’equazione che descrive il trasporto e la diffusione degli inquinanti in atmosfera; necessitano di un numero relativamente limitato di dati di ingresso e permettono di calcolare l’impatto di sorgenti di vario tipo in aree caratterizzate da terreno non particolarmente complesso, in condizioni meteorologiche variabili lentamente nello spazio e nel tempo, per inquinanti considerati come non reattivi. Per la loro relativa semplicità di utilizzo e la necessità di limitate risorse di calcolo rappresentano un importante strumento di screening adatto alla valutazione delle concentrazioni in atmosfera sul lungo periodo (medie annuali, percentili).

ARPA Sicilia, generalmente utilizza i modelli gaussiani in circostanze speditive, e qualora debba costruire, con rapidità, le curve di decadimento della concentrazione degli inquinanti aerodispersi a seguito di eventi incidentali.
– modelli lagrangiani a particelle: sono modelli tridimensionali che necessitano di dati meteorologici di ingresso (generalmente su base oraria relativi a velocità e direzione vento, temperatura, umidità, pressione e alle variabili che descrivono la turbolenza atmosferica) generati da pre-processori diagnostici o prognostici; sono in grado di riprodurre il trasporto, la dispersione, la deposizione secca e umida e il decadimento radioattivo di sostanze chimicamente inerti rilasciate in condizioni meteorologicamente complesse (calme di vento, flussi su topografia complessa). In un modello di tipo lagrangiano a particelle la dispersione dell’inquinante in atmosfera è simulata attraverso l’emissione di un certo numero di particelle virtuali, ognuna delle quali rappresenta una porzione di massa dell’inquinante; tali particelle seguono il moto turbolento delle particelle di aria nelle quali sono immerse, in modo che la loro distribuzione spaziale ad un certo istante permetta la determinazione della concentrazione della specie emessa. Possono essere utilizzati nello studio dell’impatto di una o più sorgenti sia per lo studio di episodi di inquinamento (giorni, settimane) sia per valutazioni di lungo periodo (anno) ma richiedono significative risorse di calcolo. Tale tipologia di modelli è quella utilizzata principalmente da ARPA Sicilia che, in tal senso, si riferisce alla catena modellistica costituita dai processori CALMET, CALPUFF e CALPOST arricchiti da ulteriori strumenti software necessari alla corretta preparazione degli input di calcolo ed al trattamento grafico dei dati elaborati.

Esiste una ulteriore classe di strutture tecnico analitiche, cioè quella dei modelli euleriani a griglia (Chemical Transport Models): si tratta di modelli tridimensionali in grado di produrre campi orari sia di concentrazione dei principali inquinanti atmosferici sia di deposizione secca (dry deposition) e umida (wet deposition), stimati a partire dai valori di concentrazione iniziali e ai bordi dell’area di calcolo e dalle emissioni orarie introdotte nei punti griglia, cui vengono applicati meccanismi di trasporto, dispersione e deposizione derivati dalla meteorologia (realizzata con modelli diagnostici o prognostici, in condizioni orografiche anche complesse) e fenomeni di trasformazione determinati dal meccanismo chimico utilizzato e da un modulo per la trattazione del particolato atmosferico. Necessitano delle informazioni relative a tutte le sorgenti presenti nel dominio di calcolo, ottenibili dall’inventario delle emissioni; trovano applicazione negli studi sia di breve che di lungo periodo, richiedendo significative risorse di calcolo. Tale classe di modelli sono in via di utilizzazione in ARPA Sicilia, atteso che solo recentemente è stato completato l’Inventario delle Emissioni il quale costituisce uno strumento di fondamentale importanza per la creazione dell’input modellistico. In particolare ARPA Sicilia, ha avviato le attività per l’utilizzo del modello CHIMERE che consentirà di affrontare, tra gli altri, l’aspetto che inerisce lo studio del bilancio di massa regionale legato all’intrusione delle polveri extra frontaliere provenienti dal Sahara.

Attualmente, presso la struttura operativa di ARPA Sicilia, è in atto lo sviluppo di una metodologia di analisi delle masse extra regionali attraverso metodi di back propagation ed in particolare attraverso le back trajectories analisys simulate su un dominio di scala regionale.

Prescindendo dal tipo di approccio adottato da ARPA Sicilia per lo studio modellistico, gli esiti costituiscono spesso un utile spunto di approfondimento per gli organi di controllo sanitario della regione siciliana, i quali sulla base degli indirizzi ricevuti possono essere posti in condizione di avviare studi specialistici mirati alla valutazione delle refluenze dell’inquinamento sulle popolazioni esposte (adulte e pediatriche).

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