Strumenti avanzati per la valutazione e gestione della qualità dellaria La modellistica a supporto...

Strumenti avanzati per la valutazione e gestione della qualità dell’aria

La modellistica a supporto della pianificazione e gestione della qualità dell'aria

Ferrara 28 settembre 2006

Marco Deserti, Michele Stortini,Enrico Minguzzi, Giovanni Bonafè, Suzanne Jongen

ARPA-SIM, Area Meteorologia Ambientale

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Parte prima:Il sistema modellistico NINFA per la

valutazione e la previsione della qualità dell’aria a vasta scala e a scala regionale

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Il sistema NINFANetwork dell’Italia del Nord per la Fotochimica e l’Aerosol

Northern Italian Network to Forecast photochemical and Aerosol pollution

• Multiscalarità• Multiprocesso

• Multiscopo

• Codice aperto (CHIMERE)

• Operatività

• Accessibilità dei dati

• Corse giornaliere su work station Linux. Inizio 4:00 GMT, output 09:00 GMT.

• Simulazioni scenari su multiprocessore 6 nodi, 70’ CPU/giorno

• Costruzione interfaccia CHIMERE - LAMI

• Aggiunto modulo per sorgenti puntuali

• I campi meteo da LAMI con ciclo di assimilazione dei dati osservati (LAMA) sono utilizzati per le analisi di scenario.

• Previsioni pubblicate ogni giorno su WEB

• Possibilità di distribuire campi numerici NRT

METEO: LAMI/LAMA

CHIMERE

EMISSIONICTN_ACE

CONDIZIONI al CONTORNO:

(Prev'air)

OUTPUT:O3, NO2, PM10,

(SO2……..)

USO del SUOLO: CORINE2000+GLC2000

ArpaRivista, n.4 lug-ago 2005 scaricabile da www.arpa.emr.it/arparivista/

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NINFA (ER-Chimere-regionale) 10km*10km (5km*5km)

Prev’air (Chimere-continentale 0.5°*0.5°)

Modello urbano (ADMS Urban)

NINFA: dalla scala continentale alla scala urbana

I risultati di NINFA sono rappresentativi dell’inquinamento presente nelle zone rurali e nei grandi agglomerati urbani

I risultati di NINFA sono rappresentativi dell’inquinamento presente nelle zone rurali e nei grandi agglomerati urbani

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NINFA (ER-Chimere-regional-Po valley domain)

Prev’air (Chimere-continental-Europe-domain)

CORINAIR 2000 (COVN ton/anno)Input meteo LAMI-SIM

Boundary conditions from Prev’Air

NINFA:• Previsioni quotidiane Ozono, PM10

• valutazione della qualità dell’aria

• Analisi di scenario

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http://www.arpa.emr.it/sim/

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Simulazione con NINFA di Ozono, estate 2003 (aprile –settembre)

Concentrazione media diurna simulata (a sinistra)

Numero di giorni con media su 8 ore superiore al livello di protezione della salute umana (120 g/m3) (a destra)

.

Valutazione annuale con NINFA: Ozono

O3: concentrazione media diurna (ppb) numero di giorni in cui la media 8h ha superato 120 g/m3

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Valutazione annuale con NINFA:Ozono

• La valutazione annuale mostra che il massimo numero di superamenti del valore obiettivo per la protezione della salute umana di ozono(120 μg/m3 massima media di 8-ore durante il giorno) sono localizzati nella regione sub alpina e nella pianura.

• Il massimo numero di superamenti (più di 120 all’anno) si verifica attorno ai principali agglomerati urbani di Milano e Torino.

• Nella Regione Emilia Romagna i valori massimi si verificano nella pianura interna, con più di 100 superamenti per anno, con una progressiva diminuzione spostandosi verso l’Appennino dove si passa a 60-80 superamenti anno.

• Nelle pianura vi sono valori diurni più elevati, mentre in collina e montagna si hanno valori meno elevati di giorno ma più persistenti di notte.

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Valutazione annuale con NINFA:PM10

PM10: concentrazione media semestre estivo (g/m3)

PM10: concentrazione media semestre invernale (g/m3)

Simulazione con NINFA di PM10, anno 2003 - 2004

Concentrazione media semestre estivo (aprile – settembre) a sinistra Concentrazione media semestre invernale (ottobre – marzo) a destra

(Valore limite annuale 40 g/m3)

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Valutazione annuale con NINFA:PM10

• La concentrazione di fondo media annuale di PM10 simulata è massima in pianura, nell’area compresa tra le regione sub alpina occidentale fino alla costa adriatica nord-orientale (20-25 μg/m3 ).

• In Emilia Romagna i valori massimi simulati sono nella pianura interna (18-20 μg/m3 di concentrazione di fondo), anche in questo caso con una diminuzione verso l’Appennino e la costa.

• Lo studio della variazione stagionale evidenzia valori di PM10 non trascurabili anche in estate, con una presenza generale su tutta l’area di PM secondario di origine fotochimica.

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Verifica e “validazione” di NINFA

• NINFA è stato accuratamente verificato con i dati delle stazioni rurali e sub urbane presenti nella pianura padana e di campagne sperimentali (come quella del progetto PolveRE, caratterizzazione chimico-fisica del particolato in Emilia Romagna.

• I risultati sono rappresentativi dell’inquinamento presente nelle zone rurali e nei grandi agglomerati urbani.

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La VALIDAZIONE di NINFA

Fonte: APAT- CTN-ACE 2004

Le stazioni usate per la verifica di NINFA

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La VERIFICA del sistema NINFA

PM10, anno 2003-2004

0

10

20

30

40

50

RB(N=2) SB(N=6) UB(N=9) UT(N=4)

Tipo e numero di stazioni con 90% dati validi

mic

rog

ram

mi/m

3

sim

oss

indice di correlazione medie giornaliere di PM10

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

RB(N=2) SB(N=6) UB(N=9) UT(N=4)

Tipo e numero di stazioni con 90% dati validi

•Sottostima nelle medie annuali, in particolare nelle stazioni che sono più influenzate dalle emissioni locali che non possono essere risolte con un modello a scala nazionale/regionale.

•Gli errori sono nella maggioranza dei casi all’interno degli standard di qualità modellistica previsti dal DM60/2002.

•L’indice di correlazione delle medie giornaliere è soddisfacente evidenziando che NINFA è in grado di riprodurre le variazione nel tempo del PM10.

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La VERIFICA del sistema NINFA

Buon accordo con le osservazioni nei valori medi e nel numero di superamenti dei valori obiettivo per la protezione della salute umana di ozono (120 μg/m3 massima media di 8-ore durante il giorno)

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Distribuzione dimensionale del particolato a Bologna (media annuale)

Confronto tra la distribuzione dimensionale di PM10 simulata da NINFA e quella misurata nell’ambito del progetto PolveRE

Buon accordo nella ripartizione granulometrica.

Circa il 40% del PM10 è formato da particolato al di sotto di 0.6 micron!!!

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Composizione PM10 a Bologna

Confronto tra la composizione di PM10 simulata da NINFA e quella misurata a Bologna

* Dati CNR-ISAC (S.Fuzzi, C. Facchini)

*

Buon accordo nella composizione chimica per le specie inorganiche (nitrati, ammonio, solfati).

Il PM10 secondario è il 50-60% del PM10 totale!!!

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Prime conclusioni

• NINFA produce previsioni quotidiane di qualità dell’aria disponibili sul WEB (www.arpa.emr.it/sim).

• NINFA è stato usato per eseguire una valutazione della qualità dell’aria sulla pianura padana, una delle zone più intensamente inquinate in Europa.

• La verifica di NINFA ha messo in evidenza una buona correlazione con i dati della rete e la capacità del sistema di descrivere i principali processi fisico chimici che portano alla formazione, al trasporto ed alla diffusione del PM10 e dell’Ozono.

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Piani/programmi di miglioramento della qualità dell’aria

Quali sono le zone e gli agglomerati con i maggiori livelli di inquinamento?

Quali sono le fonti inquinanti maggiormente responsabili dell’inquinamento di queste aree?

Quale è il peso degli inquinanti secondari? Vi è trasporto di inquinanti da altre zone? Vi sono cause “naturali” dell’inquinamento?

È possibile ridurre l’inquinamento in queste aree? Di quanto è necessario ridurre le emissioni inquinanti? Quali fonti inquinanti è più necessario/utile ridurre? Attraverso

quali azioni ? Quanto devono essere estese le azioni di riduzione? Che tempi sono necessari? Quanto costa?

Le domande a cui deve rispondere il piano di miglioramento della qualità dell’aria

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Piani/programmi

• NINFA può essere utilizzato per la redazione di piani/programmi di miglioramento della qualità dell’aria, consentendo di valutare le varie opzioni per la riduzione dell’inquinamento e prevederne i benefici in termini di miglioramento della qualità dell’aria.

• Per esemplificare la capacità del sistema di valutare scenari futuri di inquinamento sono stati preparati alcuni esempi che mostrano come:

– la concentrazione di ozono e PM10 non diminuisce proporzionalmente alla diminuzione delle emissioni di precursori

– sia possibile quantificare l’entità degli inquinanti trasportati in Emilia Romagna dalle regioni vicine.

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Scenari: emissioni

Emissioni di PM10, totale annuale: caso base (sinistra) e scenario “CLE2020 (*)” (destra)

(*) Current Legislation Emission 2020 fonte EMEP

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Scenari: CLE 2020, Ozono

Ozono, numero di giorni con media su 8 ore > 60 ppb, caso base (sinistra) e scenario CLE (destra)

• Riduzione delle emissioni di NOx del 51% e dei VOC del 46% sull’intero dominio

• La media diurna (estiva) dell’ozono cala del 5%

• Il numero di superamenti della soglia 120 g/m3 cala del 15%

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Scenari: CLE 2020, PM10

PM10, concentrazione media annuale, caso base (sinistra) e scenario CLE (destra)

• Riduzione delle emissioni di NOx del 51% e di PM10 del 47% sull’intero dominio

• La media annuale del PM10 nelle zone rurali cala del 20% (fino al 30% nelle aree urbane)

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Scenari: Emilia Romagna zero, Ozono

Ozono, numero di giorni con media su 8 ore > 60 ppb, caso base (sinistra) e scenario EMR zero (destra)

• Emissioni zero in Emilia Romagna, (riduzione delle emissioni totali sul dominio del 13%)

• Il numero di superamenti della soglia 120 g/m3 cala (a Bologna) del 15%. La media diurna (estiva) dell’ozono rimane sostanzialmente invariata (nessuna variazione nelle aree urbane, -3% nelle zone rurali della Romagna).

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Scenari: Emilia Romagna zero, PM10

PM10, concentrazione media annuale, caso base (sinistra) e scenario EMR zero (destra)

• Emissioni zero in Emilia Romagna, (riduzione delle emissioni totali sul dominio del 13%)

• La media annuale del PM10 (lontano dai confini regionali) cala del 30-40%

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Parte secondaDalla scala nazionale/regionale alla scala

locale/provinciale

Possibili utilizzi di NINFA

Esempi dimostrativi

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NINFA a 5 km risoluzione

• È disponibile una versione ad alta risoluzione (5*5 km) di NINFA su Emilia Romagna, annidata all’interno del dominio Nord Italia

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Esempio dimostrativo NINFA a 5 km 12-19Febbraio 2004

NO2, concentrazioni medie, ppb, caso base (sinistra) e scenario senza centrali (destra)

Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni zero delle centrali elettriche. Una valutazione d’impatto deve essere fatta su base annuale. Le cose possono cambiare considerando periodi diversi!!!!!!

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Esempio dimostrativo di studio di scenario: Emissioni zero delle centrali elettriche

Differenze delle concentrazioni medie NO2, ppb (sinistra),Differenze delle concentrazioni orarie NO2, ppb (destra)

•In questo esempio dimostrativo le differenze sono mediamente inferiori a 3-4 ppb (10% circa).Si notano i pennacchi emessi dai camini, l’impatto è evidente anche a notevole distanza


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PM10, concentrazioni medie g/m3, caso base (sinistra) e scenario senza centrali (destra)


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differenze delle concentrazioni medie di PM10, g/m3, (sinistra) differenze percentuali delle concentrazioni medie (destra)

In questo esempio dimostrativo le differenze sono mediamente piccole 1-2 g/m3, (3-4% circa)


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• NINFA viene impiegato per analizzare e prevedere quotidianamente la qualità dell’aria in tutto il territorio, valutando l’eventuale inquinamento anche delle zone dove non sono presenti stazioni di monitoraggio.

• NINFA viene utilizzato per una valutazione di vari scenari futuri di inquinamento in Emilia Romagna e nella pianura padana.

• NINFA può essere usato per una valutazione dell’impatto a larga scala degli inquinanti primari e secondari emessi da grandi impianti (centrali elettriche, termovalorizzatori, ecc.)

Conclusioni

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Una proposta di lavoro per lo studio della qualità dell’aria nella provincia di Ferrara

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Ipotesi di lavoro

• Nella Pianura padana (e a Ferrara) la concentrazione di inquinanti secondari (Ozono e PM10/2.5 NO2) dipende principalmente da processi atmosferici ad ampia scala (trasporto di precursori emessi anche a grande distanza che interagiscono con le sorgenti locali)

• La concentrazione di inquinanti primari (SOx, NOx, NH3, microinquinanti, ecc..) in prossimità delle sorgenti è maggiormente influenzata dalla intensità e dalla distribuzione delle emissioni e dalle condizioni meteorologiche locali.

• Queste ipotesi, generalmente condivise nel mondo scientifico, sono state verificate e dimostrate in molte occasioni

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La proposta di ARPA

• Eseguire una macroanalisi mediante il modello chimico di trasporto e dispersione NINFA per individuare le aree maggiormente critiche sulla provincia di Ferrara

A) per gli inquinanti primari/precursori (NOX,SOX, COV, NH3)

B) per gli inquinanti secondari (O3 e PM10-2.5)• Condurre uno studio a piccola scala (dominio di circa

20*20km2 passo 500 m) mediante un modello “non chimico” (ADMS-Urban) per studiare in dettaglio l’impatto degli inquinanti primari (con dati meteo locali e specifici)

• Eseguire eventuali campagne di verifica mediante laboratorio mobile e stazione meteorologica mobile nelle aree maggiormente critiche.

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