Interazioni meteorologiche caratterizzazione dispersione e...
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1 Interazioni meteorologiche caratterizzazione dispersione e modellistica diffusionale il contributo naturale F. Calastrini , C. Busillo, F. Guarnieri, B. Gozzini Pistoia, 30 Maggio 2012
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Interazioni meteorologichecaratterizzazione dispersione e modellistica diffusionale
il contributo naturale
F. Calastrini, C. Busillo, F. Guarnieri, B. Gozzini
Pistoia, 30 Maggio 2012
2
Le condizioni meteorologiche influenzano fortemente i fenomeni di
inquinamento atmosferico.
Oltre al vento, che caratterizza i fenomeni di trasporto nel piano orizzontale,
ed alla pioggia, che può favorire la diminuzione delle sostanze in sospensione
in atmosfera tramite dilavamento, sono importanti i fenomeni di convezione,
cioè di rimescolamento delle masse d’aria lungo la direzione verticale.
L’altezza dello strato di rimescolamento è un parametro che individua la
porzione di atmosfera in cui sono importanti i moti convettivi. Si tratta dello
strato più vicino al suolo, dove si accumulano i composti inquinanti.
Nelle aree urbane il gradiente termico verticale subisce delle variazioni:
questo fenomeno è detto isola di calore.
3
L’Altezza di rimescolamento e l’isola di calore
L’altezza dello strato di rimescolamento, Hmix, varia:•su base giornaliera•su base stagionale
Le condizioni critiche per l’inquinamento atmosferico si verificano quando Hmix èbassa
L’isola di calore costituisce un ambiente in cui il rimescolamento delle masse d’aria è inibito e quindi la concentrazione degli inquinanti è più alta.
4
Non è possibile effettuare misure dirette dell’altezza dello strato di rimescolamento, che può essere stimata tramite misure di altri parametri fisici.I principali metodi di stima si basano su misure profilometriche di temperatura, di velocità del vento, di umidità o di concentrazione di aerosol, ottenute da radiosondaggi o da sistemi di remote sensing. In alternativa, Hmix può essere ottenuta da algoritmi di calcolo implementati in modelli numerici, da semplici algoritmi che utilizzano misure a catene di modellimeteorologici ad alta risoluzione.Presso il Consorzio LAMMA è stato implementato un sistema di modelli ad alta risoluzione che prevede l’utilizzo del modello globale GFS (Global Forecast System), del modello a mesoscala WRF (Weather Research and Forecasting), del modello CALMET, a una risoluzione di 2 Km.
WRF 12 kmGFS 50 km CALMET 2 km
5
Il progetto PATOS
Il LAMMA, nell’ambito del Progetto Regionale PATOS, ha svolto una attivitàdi supporto per la caratterizzazione meteorologica a scala regionale.
Studio per individuare i parametri meteorologici che influenzano in modo significativo i processi di formazione accumulo o dispersione del PM10. Il lavoro ha richiesto l’analisi di una base‐dati costituita dalle misure di PM10 rilevate sull’intero territorio regionale dalla rete di monitoraggio gestita da ARPAT, e dalle misure delle principali variabili meteorologiche registrate da alcune stazioni a terra, nell’arco temporale compreso tra il 1° gennaio 2000 ed il 31 dicembre 2004.
Studio incentrato sull’individuazione dei periodi critici: durante l’intero periodo di campionamento, ottobre 2005‐settembre 2006, sono stati individuati periodi critici per la dispersione degli inquinanti. I dati meteo e i risultati delle analisi dei campioni raccolti sono stati incrociati per risalire ai processi di formazione, trasporto e accumulo del particolato.
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Le serie storiche di Le serie storiche di PM10PM10
LL’’analisi delle serie storiche analisi delle serie storiche delle concentrazioni di PM10 delle concentrazioni di PM10 registrate nelle 47 registrate nelle 47 centraline, nellcentraline, nell’’arco di 5 anni arco di 5 anni evidenzia tre tipologie di evidenzia tre tipologie di comportamenti:comportamenti:il primo tipo il primo tipo èè caratterizzato caratterizzato
da un forte andamento da un forte andamento stagionale ed stagionale ed èè relativo alle relativo alle stazioni dellstazioni dell’’entroterra; il entroterra; il secondo tipo mostra un secondo tipo mostra un andamento pressochandamento pressochéécostante, relativo alle costante, relativo alle stazioni sulla costa; il terzo stazioni sulla costa; il terzo gruppo di stazioni gruppo di stazioni –– ubicate ubicate in aree urbane in prossimitin aree urbane in prossimitààdella costa della costa –– mostrano un mostrano un comportamento intermedio.comportamento intermedio.
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Le serie storiche di PM10Le serie storiche di PM10
Si può quindi ipotizzare una marcata influenza delle condizioni meteorologiche alla scala sinottica sui valori di concentrazione di PM10.
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FICALENZ 0.91 0.92 0.82 0.91 1.00 0.89 0.91 0.88POFER 0.81 0.83 0.75 0.85 0.89 1.00 0.90 0.90
POROMA 0.87 0.86 0.85 0.91 0.91 0.90 1.00 0.94POSTRO 0.78 0.79 0.81 0.85 0.88 0.90 0.94 1.00
2004 FIBASSI FIBOB FIMOSS FISCAN FICALE POFER POROM POSTR
FIBASSI 1.00 0.90 0.79 0.90 0.91 0.81 0.87 0.78FIBOB 0.90 1.00 0.82 0.95 0.92 0.83 0.86 0.79
FIMOSSE 0.79 0.82 1.00 0.85 0.82 0.75 0.85 0.81FISCAN 0.90 0.95 0.85 1.00 0.91 0.85 0.91 0.85
FICALENZ 0.91 0.92 0.82 0.91 1.00 0.89 0.91 0.88POFER 0.81 0.83 0.75 0.85 0.89 1.00 0.90 0.90
POROMA 0.87 0.86 0.85 0.91 0.91 0.90 1.00 0.94POSTRO 0.78 0.79 0.81 0.85 0.88 0.90 0.94 1.00
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Gli indicatori meteorologici
Sono state evidenziate le relazioni che legano i valori di concentrazione di PM10
ed alcuni parametri meteorologici:
•velocità del vento (media giornaliera),
•temperatura (media giornaliera),
•pioggia (cumulata su base giornaliera).
Sono stati determinati i coefficienti di correlazione tra parametri meteo e misure
di PM10.
Sono stati individuati alcuni valori‐soglia per la velocità media del vento e per la
pioggia cumulata su base giornaliera.
La scelta dei valori‐soglia è stata effettuata valutando la riduzione delle
condizioni di inquinamento critiche a fronte di valori degli indicatori
meteorologici superiori a tali soglie.
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Gli indicatori meteorologici
VelocitVelocitàà del vento: gli episodi influenti ai fini della riduzione delle del vento: gli episodi influenti ai fini della riduzione delle concentrazioni sono concentrazioni sono
caratterizzati da un vento caratterizzati da un vento mediomedio‐‐forteforte, persistente per molte ore. Queste condizioni si , persistente per molte ore. Queste condizioni si
verificano generalmente alla scala sinottica.verificano generalmente alla scala sinottica.
Pioggia: solo gli eventi di pioggia con intensitPioggia: solo gli eventi di pioggia con intensitàà superiore ad una determinata soglia (es. 10 superiore ad una determinata soglia (es. 10
mm) hanno un effetto sulle concentrazioni di PM10.mm) hanno un effetto sulle concentrazioni di PM10.
Temperatura: nel gruppo di stazioni dellTemperatura: nel gruppo di stazioni dell’’entroterra si registrano valori di concentrazione entroterra si registrano valori di concentrazione
pipiùù alti nel semestre freddo rispetto ai valori registrati nel semealti nel semestre freddo rispetto ai valori registrati nel semestre caldo, mentre nel stre caldo, mentre nel
gruppo di stazioni localizzate sulla costa si evidenzia un andagruppo di stazioni localizzate sulla costa si evidenzia un andamento delle concentrazioni mento delle concentrazioni
correlato con quello delle temperature. correlato con quello delle temperature.
Su base stagionale, per le stazioni del primo gruppo esiste una Su base stagionale, per le stazioni del primo gruppo esiste una marcata anticorrelazione marcata anticorrelazione
durante il semestre freddo ed una correlazione nel semestre calddurante il semestre freddo ed una correlazione nel semestre caldo. Cause: emissioni da o. Cause: emissioni da
riscaldamento; condizioni stabili, favorevoli allriscaldamento; condizioni stabili, favorevoli all’’accumulo degli inquinanti. La correlazione accumulo degli inquinanti. La correlazione
nel semestre caldo potrebbe riguardare i meccanismi di formazionnel semestre caldo potrebbe riguardare i meccanismi di formazione del particolato di e del particolato di
origine secondaria. origine secondaria.
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data FI BASSI PO STROZZI PT MONTALE AR FIOREN. LU CAPANNOLI MGORD. GR URSS19/12/2005 92 88 112 72 104 16 2420/12/2005 74 100 114 66 106 10 2721/12/2005 70 72 95 74 94 13 3422/12/2005 78 81 137 74 101 27 3723/12/2005 105 88 113 85 116 15 4424/12/2005 85 103 139 86 105 21 4325/12/2005 82 102 159 94 87 1631/12/2005 56 62 109 84 66 13 5101/01/2006 83 110 160 36 86 12 3120/01/2006 66 76 72 70 12 4021/01/2006 77 100 93 84 15 4303/02/2006 67 50 109 60 70 20 5208/02/2006 85 78 108 78 59 19 5114/02/2006 63 54 83 65 70 47
Episodi invernali
Durante il periodo invernale si sono verificate condizioni favorDurante il periodo invernale si sono verificate condizioni favorevoli allevoli all’’accumulo degli accumulo degli
inquinanti. Le 5 centraline dellinquinanti. Le 5 centraline dell’’entroterra hanno registrato valori superiori alla soglia di 50 entroterra hanno registrato valori superiori alla soglia di 50
µµg/m3. Nei periodi segnalati i venti sono stati di bassa intensitg/m3. Nei periodi segnalati i venti sono stati di bassa intensitàà, al di sotto del valore medio, , al di sotto del valore medio,
la pioggia assente o molto scarsa, le temperature medie generalmla pioggia assente o molto scarsa, le temperature medie generalmente molto basse: ente molto basse:
ll’’insieme di queste condizioni hanno limitato la circolazione, auminsieme di queste condizioni hanno limitato la circolazione, aumentato nelle aree urbane il entato nelle aree urbane il
fenomeno dellfenomeno dell’’isola di calore e quindi favorito il ristagno delle sostanze inqisola di calore e quindi favorito il ristagno delle sostanze inquinanti. uinanti.
11
Nel semestre caldo la maggiore diffusività
atmosferica e l’irraggiamento solare, che
rende più efficienti le reazioni fotochimiche,
favoriscono la formazione e la distribuzione
di inquinanti secondari. I solfati, prodotti
prevalentemente da fonti localizzate di SO2
(impianti termo‐elettrici per la produzione
di energia), subiscono una veloce
distribuzione sul territorio regionale.
Variabilità stagionaleNelle stagioni fredde le condizioni meteorologiche di stabilità
atmosferica favoriscono l’accumulo di inquinanti al suolo; inoltre
nelle aree urbane alle emissioni dovute al traffico veicolare si
aggiungono quelle degli impianti di riscaldamento. In questo periodo
si registrano valori più elevati dei composti organici del carbonio e
dei nitrati, riconducibili prevalentemente a sorgenti locali.
12
episodio sabbia del deserto
0102030405060708090
10/0
6/20
0612
/06/
2006
14/0
6/20
0616
/06/
2006
18/0
6/20
0620
/06/
2006
22/0
6/20
0624
/06/
2006
26/0
6/20
0628
/06/
2006
30/0
6/20
0602
/07/
2006
04/0
7/20
0606
/07/
2006
08/0
7/20
0610
/07/
2006
PM10
(ug/
m2)
FI BASSI
PO STROZZI
PT MONTALE
AR FIORENTINA
LU CAPANNORI
LI MAUROGORDATO
GR URSS
Episodi di trasporto di polvere del deserto
Nell’ultima decade di giugno 2006 in tutte le centraline si è verificato un anomalo innalzamento dei valori di concentrazione, che in molti casi ha portato al superamento del valore soglia. L’analisi chimico‐fisica ha permesso di stimate l’impatto sulle concentrazioni al suolo: la componente crostale ha raggiunto valori fino a circa 25 µg/m3.In questi giorni i venti sono stati deboli, le precipitazioni assenti e le temperature medie molto alte.
data FI BASSI PO STROZZI PT MONTALE AR FIOREN. LU CAPANNOLI MGORD. GR URSS20/06/2006 53 50 40 44 25 2421/06/2006 54 47 45 53 30 3222/06/2006 65 54 52 53 42 4523/06/2006 58 45 46 53 40 4124/06/2006 63 45 38 48 45 2925/06/2006 56 41 37 53 35 4326/06/2006 57 46 37 50 4127/06/2006 60 45 43 61 49 4528/06/2006 77 62 57 68 52 5129/06/2006 80 65 69 71 53 4330/06/2006 49 38 55 60 51 48
13
TRASPORTO DI POLVERE SAHARIANALe intrusioni di polvere sahariana nel bacino del Mediterraneo possono provocare un anomalo innalzamento dei valori di concentrazione del PM10, e in alcuni casi contribuire al superamento dei valori limite previsti dalla normativa. Nel caso in cui i superamenti siano causati da contributi naturali, questi possono venire detratti. E’importante identificare questo contributo che ha un impatto non del tutto trascurabile anche sul territorio regionale toscano. Il sistema modellistico RAMS‐DUSTEM‐CAMX èstato sviluppato per ricostruire le dinamiche evolutive dell’inquinamento da polvere del deserto. Il sistema è stato utilizzato, insieme alle misure chimico‐fisiche dei campioni, per l’identificazione del contributo sahariano al PM10.
14
RAMS‐DUSTEM‐CAMxEE’’ stato implementato sistema stato implementato sistema
modellistico per la ricostruzione modellistico per la ricostruzione
delle dinamiche evolutive della delle dinamiche evolutive della
polvere minerale proveniente dal polvere minerale proveniente dal
deserto. La catena modellistica si deserto. La catena modellistica si
basa sulle stime prodotte dal basa sulle stime prodotte dal
modello prognostico RAMS (campi modello prognostico RAMS (campi
meteorologici) e dal modello meteorologici) e dal modello
emissivo DUSTEM (emissioni di emissivo DUSTEM (emissioni di
polvere minerale delle aree polvere minerale delle aree
desertiche), che rappresentano gli desertiche), che rappresentano gli
input al modello CAMx, con cui input al modello CAMx, con cui
viene simulato il trasporto e la viene simulato il trasporto e la
deposizione della polvere del deposizione della polvere del
deserto. deserto.
Sono stati analizzati i risultati relativi alle concentrazioni e alle deposizioni del particolato con diametro aerodinamico compreso tra 1 µm e 20 µm.
15
GOCART
16
GOCART
17
GOCART
18
Dati …………
ROME TOR VERGATA
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
1/6/
06 1
.00
2/6/
06 2
.00
3/6/
06 3
.00
4/6/
06 4
.00
5/6/
06 5
.00
6/6/
06 6
.00
7/6/
06 7
.00
8/6/
06 8
.00
9/6/
06 9
.00
10/6
/06
10.0
0
11/6
/06
11.0
0
12/6
/06
12.0
0
13/6
/06
13.0
0
14/6
/06
14.0
0
15/6
/06
15.0
0
16/6
/06
16.0
0
17/6
/06
17.0
0
18/6
/06
18.0
0
19/6
/06
19.0
0
20/6
/06
20.0
0
21/6
/06
21.0
0
22/6
/06
22.0
0
23/6
/06
23.0
0
24/6
/06
0.00
26/6
/06
1.00
27/6
/06
2.00
28/6
/06
3.00
29/6
/06
4.00
30/6
/06
5.00
AO
T
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
(mg/
m2)
Aeronet data (AOT_1020 lev 2.0)
MODEL Total Column Concentration (mg/m2)
AVIGNON
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
1/6/
06 1
.00
2/6/
06 2
.00
3/6/
06 3
.00
4/6/
06 4
.00
5/6/
06 5
.00
6/6/
06 6
.00
7/6/
06 7
.00
8/6/
06 8
.00
9/6/
06 9
.00
10/6
/06
10.0
0
11/6
/06
11.0
0
12/6
/06
12.0
0
13/6
/06
13.0
0
14/6
/06
14.0
0
15/6
/06
15.0
0
16/6
/06
16.0
0
17/6
/06
17.0
0
18/6
/06
18.0
0
19/6
/06
19.0
0
20/6
/06
20.0
0
21/6
/06
21.0
0
22/6
/06
22.0
0
23/6
/06
23.0
0
24/6
/06
0.00
26/6
/06
1.00
27/6
/06
2.00
28/6
/06
3.00
29/6
/06
4.00
30/6
/06
5.00
AO
T
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
(mg/
m2)
Aeronet data (AOT_1020 lev 2.0)
MODEL Total Column Concentration (mg/m2)
Confronto stime‐misure AERONET
19
Confronto stime‐misureSono state prese in esame le misure su base giornaliera di PM10 effettuate dal 15 al 28
giugno nei tre siti, Firenze, Grosseto, Lucca. Oltre alle misure gravimetriche, i gruppi di
ricerca di di Fisica (Prof. Lucarelli) e di Chimica (Prof. Udisti) dell’Università di Firenze
hanno utilizzato specifiche tecniche di analisi (es. tecnica PIXE, Particle Iduced X‐ray
Emission) per rivelare gli elementi caratteristici della componente crostale (Na, Mg, Al, Si,
K, Ca, Ti, Mn, Fe, Sr, Zr). Questi elementi possono essere utilizzati come indicatori nella
quantificazione dell’impatto dovuto al trasporto di polvere sahariana. L’analisi del
cambiamento nei rapporti elementali permette di distinguere fra polvere crostale locale e
polvere desertica trasportata .
Una volta identificato il periodo interessato dall’episodio di trasporto di polvere sahariana
tramite l’analisi dei rapporti elementali, è stato stimato il contributo assoluto (in µg/m3 )
al PM10 derivante dalla frazione crostale. Le stime modellistiche della polvere sahariana
sono riferite alla frazione 1‐20 µm (dust‐CAMx), mentre la stima della componente crostale
del PM10 misurato è riferita sia al contributo locale che sahariano (CRU10).
FLORENCE
0
10
20
30
40
50
01/0
6/06
03/0
6/06
05/0
6/06
07/0
6/06
09/0
6/06
11/0
6/06
13/0
6/06
15/0
6/06
17/0
6/06
19/0
6/06
21/0
6/06
23/0
6/06
25/0
6/06
27/0
6/06
29/0
6/06
ug/m
3du
st-C
AM
x
0
5
10
15
20
25
30
35
ug/m
3C
RU
10
dust-CAMxCRU10
LUCCA
0
10
20
30
40
50
01/06
/0604
/06/06
07/06
/0610
/06/06
13/06
/0616
/06/06
19/06
/0622
/06/06
25/06
/0628
/06/06
ug/m
3du
st-C
AM
x
0
5
10
15
20
25
30
35
ug/m
3C
RU
10
dust-CAMxCRU10
GROSSETO
0
10
20
30
40
50
01/06
/0604
/06/06
07/06
/0610
/06/06
13/06
/0616
/06/06
19/06
/0622
/06/06
25/06
/0628
/06/06
ug/m
3du
st-C
AM
x
0
5
10
15
20
25
30
35
ug/m
3C
RU
10
dust-CAMxCRU10
20
Confronto stime‐misure
Il confronto stime‐misure evidenzia un sostanziale buon accordo, con l’individuazione dei
periodi caratterizzati da concentrazioni alte e della significativa diminuzione del 24‐25
giugno.
Tuttavia, il modello in alcuni casi può sottostimare o sovrastimare. Una possibile
spiegazione potrebbe riguardare la valutazione quantitativa dell’altezza di
rimescolamento che, nel caso dei siti dell’entroterra potrebbe essere sovrastimata nel
primo periodo (16‐19 giugno), mentre nel sito costiero potrebbe essere sempre
sottostimata, limitando così l’ingresso delle polveri trasportate sopra il boundary layer.
In prospettiva, il sistema modellistico potrebbe essere affinato introducendo una griglia di
calcolo ad una risoluzione più alta solo nell’area target, ad esempio sull’Italia centrale. In
questo modo potremmo ottenere una descrizione più dettagliata delle intrusioni di
polvere sahariana nello strato più vicino al suolo.
21
Conclusioni
Gli episodi acuti di inquinamento da polveri si verificano prevaGli episodi acuti di inquinamento da polveri si verificano prevalentemente nel lentemente nel
periodo invernale.periodo invernale.
Le condizioni meteorologiche di stabilitLe condizioni meteorologiche di stabilitàà atmosferica, latmosferica, l’’assenza di venti forti o di assenza di venti forti o di
pioggia favoriscono lpioggia favoriscono l’’accumulo di inquinanti al suolo.accumulo di inquinanti al suolo.
Nelle aree urbane il fenomeno Nelle aree urbane il fenomeno ““isola di caloreisola di calore”” aumenta ulteriormente la criticitaumenta ulteriormente la criticitàà; ;
inoltre alle emissioni dovute al traffico veicolare si aggiungoninoltre alle emissioni dovute al traffico veicolare si aggiungono quelle degli o quelle degli
impianti di riscaldamento. impianti di riscaldamento.
Nel semestre caldo gli occasionali superamenti dei valori limiteNel semestre caldo gli occasionali superamenti dei valori limite sono in generale sono in generale
riconducibili a episodi di trasporto di polvere del deserto.riconducibili a episodi di trasporto di polvere del deserto.
