Metalli pesanti e POPs: simulazioni per l’anno 2005

G. Calori, M. Costa, P. Radice, C. Silibello, M. Mircea

MINNI (Modello Integrato Nazionale per la Qualità dell’Aria) Plenaria 23-24 Marzo 2011, ENEA, Bologna

Verso …FARM

“OpenSource”

Main features and developments:

Emission of pollutants from area and point sources, with plume rise calculation and mass assignment to vertical grid cells

3D dispersion by advection and turbulent diffusion

Transformation of chemical species by gas-phase chemistry, with flexible mechanism configuration (SAPRC-99, POPs-Hg) through KPP pre-processor (KPP, Kinetic Pre-Processor: Damian et al, 2002; Sandu et al., 2003; Daescu et al. 200).

Treatment of PM10 and PM2.5 (aero0 inorganic equilibrium module, aero3 modal aerosol module)

Dry removal of pollutants dependent on local meteorology and land-use

Removal through precipitation scavenging processes

One- and two-way nesting on arbitrary number of grids

Treatment of additional inert tracers

Parallel processing using OpenMP paradigm

Inclusion of data assimilation techniques

Online calculation of photolysis rates using TUV model (Tropospheric Ultraviolet and Visible radiation model; Madronich et al, 1989)

Inclusion of map factors and different coordinate systems

SW management and code optimization

• MPI parallelization (to be done)

Flexible Air quality Regional Model (FARM)http://air-climate.eionet.europa.eu/databases/MDS/

Esigenze: Portabilità del codice su più piattaforme e su compilatori differenti; Controllo delle risorse a disposizione per una corretta configurazione del processo

di compilazione ed installazione del software; Distribuzione di un semplice pacchetto contenente i sorgenti e gli script necessari

per la semplice compilazione ed installazione del SW.

Soluzione: Gnu Autotools

semplificano il processo di compilazione, installazione ed aiutano a scrivere il codice sorgente maggiormente portabile (in gran parte) in modo automatico;

Creazione semplificata dello script configure. Lo script configure testa le caratteristiche del sistema (compilatori, endian, librerie, ecc) e crea un appropriato Makefile;

Il Makefile automatizza la compilazione dei sorgenti, l'installazione nelle appropriate directory e l'eventuale test di funzionalità degli eseguibili creati.

“Pacchettizzazione” di FARM

Benefici: Porting su più piattaforme (Linux, AIX, Windows with Cygwin, Windows); Porting completo sui principali compilatori (GNU, PGI e INTEL e IBM); Differenti modalità di compilazione (Debug, Release, Optimized); Controllo e ricerca automatica delle dipendenze (librerie netCDF, MKL,OpenMP).

Possibilità di creare 12 eseguibili differenti: Differenti meccanismi chimici (POPS-Hg, saprc99f); Differenti meccanismi di aerosol (aero0, aero3, aero0_POPS-Hg); Due risolutori (Rosenbrock, kpp_lsode); Compilazione seriale o parallela (OpenMP).

Semplicità di utilizzo: ./configure -with-chemmech=saprc99f –with-aeromech=aero3 --enable-omp=yes make make install

Semplicità di creazione del pacchetto da distribuire: make dist (tar.gz)

Controllo automatico della consistenza del pacchetto: make distcheck

“Pacchettizzazione” di FARM

OpenMP: Parallelizzato circa il 94% del codice (profililing); SpeedUp reale in linea con lo SpeedUp Teorico; Ottima scalabilità fino a 24 core (su sistemi a memoria condivisa)-

Parallelizzazione di FARM

ove: Fp = % del tempo parallelo, n = numero di core, Ts = Tempo di esecuzione del codice seriale, Tp = Tempo di esecuzione del codice parallelo

0 10 20 30 40 50 60

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Confronto fra Speedup teorico ed effettivo

effettivoteorico

n. core

Sp

ee

du

p

n

F)F1(

1

T

TSpeedup

pp

S

S

FARM è stato inserito in una infrastruttura di sviluppo nella quale è possibile accedere ad un “repository” centralizzato, pianificare le varie attività di sviluppo, risolvere i bug, rendere disponibile le varie versioni e verificare automaticamente la funzionalità dell'intero pacchetto.

L'infrastruttura è composta da 4 principali strumenti interagenti fra loro:

Trac: Project management and bug/issue tracking systemAiuta la collaborazione fra il team di sviluppatori a scrivere un buon software nell'intero

processo di sviluppo del codice. Mediante Trac è possibile monitorare lo stato di avanzamento, la risoluzione dei bug, i compiti di ogni singolo sviluppatore ecc...

SVN (Centralized Version Control System)

WebDAV (Generic content repository)Repository documentale delle varie versioni rilasciate nel tempo.

Hudson: Extensible Continuous Integration serverOgni qualvolta il codice sorgente viene modificato nel repository SVN, verifica in

automatico la compilazione del pacchetto con le varie configurazioni possibili, verifica il programma utilizzando vari casi test e segnala eventuali errori riscontrati.

Infrastruttura di sviluppo FARM

Infrastruttura di sviluppo FARM

(https://hpc-forge.cineca.it/)

Infrastruttura di sviluppo FARM

(https://hpc-forge.cineca.it/files/Farm/public/)

Implementazione parallela con MPI: In fase di sviluppo; Maggiore scalabilità su sistemi a memoria distribuita; Possibilità di aumentare il numero dei punti griglia (aumento della risoluzione

spaziale).

Integrazione parallela MPI + OpenMP: In fase di studio.

Futuri sviluppi di FARM

POPs processes in the atmosphere

• Advection transport and turbulent diffusion

• Partitioning between the gaseous and particulate phase

• Wet and dry deposition (gaseous and particulate phase) to the underlying surfaces

• Degradation

Degradation

From: Gusev, A., Mantseva, E., Shatalov, V., Strukov, B. (2005). Regional Multicompartment Model MSCE-POP. EMEP/MSC-E Technical Report 5/2005.

Attività svolte

1. È stata aggiornata la versione del modello FARM che implementa il meccanismo chimico per il trattamento dei POPs nei seguenti punti: i singoli congeneri sono presenti sia nella fase gassosa che in quella

particellare: nella versione precedente i diversi congeneri, nella fase particellare, erano aggregati in un unico composto. In questo modo viene calcolato più correttamente il partizionamento nelle due fasi dei diversi composti. Possibilità di calcolare le concentrazioni delle diossine e dei furani in tossicità equivalente anche per la fase particellare (sia per le concentrazioni che per i flussi di deposizione).

inclusione dei processi di absorbimento (non trascurabile).

2. È stata effettuata una prima simulazione sul territorio nazionale;

3. È iniziata l’elaborazione dei files forniti da MSC-E.

Aggiornamento del modello FARM (POPs-Hg)

ADSORPTIONJunge-Pankow

model(dominates when TSP is mainly of mineral origin)

ABSORPTIONOctanol-air partitioning

(dominates when TSP contains organic

material)

The gas-particle partitioning coefficient KP [m3 g-1] is defined as follows:

KP = CP / (CG · TSP)

where TSP is the concentration of suspended particulate material [g m-3], CP and CG respectively the particulate-associated and gaseous concentration of a given semi-volatile organic chemical (SOC) [ng m-3].

Gas/particle partitioning

PAH partitioning between the gaseous and particulate phase is performed using the Junge-Pankow model [Junge, 1977; Pankow, 1987].

The PAH fraction adsorbed on tropospheric aerosol particles equals to:

ADS = CP / (CG + CP)= c· / (pOL + c·)

where:

• c is the constant depending on the thermodynamic parameters of the adsorption process and on the properties of aerosol particle surface; it is assumed c=0.17 Pa·m [Junge, 1977] for background aerosol;

• θ is the specific surface of aerosol particles, m2/m3;

• pOL is the subcooled liquid vapour pressure (Pa).

POPs processesGas/particle partitioning/adsorption

Pankow [1994] has proposed that absorption of gas-phase compounds into an organic film coating particles gives an important contribution to the overall particle-gas partitioning processes.

The octanol-air partition coefficient KOA is a valuable direct descriptor of SOCs volatility. The relation of KP to KOA is (Finizio et al., 1997):

KP 10-9 KOA fom / OCT

where fom is the fraction of the particle mass that consist of absorbing organic matter and OCT is the density of octanol (820 kg m-3).

The fraction absorbed on tropospheric aerosol particles is given by:

ABS = CP / (CG + CP)= KP · TSP / (1 + KP · TSP)

POPs processesGas/particle partitioning/absorption

Caratteristiche della simulazione:

• anno 2005

• emissioni solo da sorgenti nazionali

• condizioni al contorno nulle

Run preliminare metalli pesanti e POPs

Input emissivo MINNI2005Metalli, IPA, Diossine e

Furani

Metalli (kg)Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale

Arsenico Cadmio Cromo Mercurio Nichel Piombo Rame Selenio Zinco01-Produzione energia e trasform. combustibili 4133 169 20405 1099 20437 3918 6160 3624 595202-Combustione non industriale 765 2944 4448 2478 61891 40596 5955 69 3006903-Combustione nell'industria 34463 3276 16777 3355 14535 141681 26120 6534 21669104-Processi produttivi 277 1524 10892 3354 4427 74178 7050 918 61353407-Trasporto su strada 363 1815 2541 61714 363 3630208-Altre sorgenti mobili e macchinari 108 20 81 3839 1401 609 321 71809-Trattamento e smaltimento rifiuti 29 156 318 152 1021 3832 414 3 2107Totale complessivo 39775 8451 54736 10437 108692 265607 108022 11833 905373

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

09-Trattamento e smaltimento rifiuti

08-Altre sorgenti mobili e macchinari

07-Trasporto su strada

04-Processi produttivi

03-Combustione nell'industria

02-Combustione non industriale

01-Produzione energia e trasform. combustibili

Metalli (kg)Confronto totali : ISPRA2005 vs EMEP 2005

Grazie alle informazioni provenienti dal database EMEP sarà possibile assegnare correttamente la parte gassosa e quella “elementare “ alle emissioni di mercurio

As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Se ZnISPRA2005 39775 8451 54736 108022 10437 108692 265607 11833 905373EMEP2005 39836 8460 59345 207984 10391 111015 265733 12094 947501

Hg_zero 6442Hg_2+ 3013Hg_P 935

IPA (kg)Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale

IPA01-Produzione energia e trasform. combustibili 470.602-Combustione non industriale 48680.803-Combustione nell'industria 2273.004-Processi produttivi 43798.606-Uso di solventi 11.307-Trasporto su strada 2677.708-Altre sorgenti mobili e macchinari 335.409-Trattamento e smaltimento rifiuti 33895.7Totale complessivo 132143.0

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

IPA

09-Trattamento e smaltimento rifiuti

08-Altre sorgenti mobili e macchinari

07-Trasporto su strada

06-Uso di solventi

04-Processi produttivi

03-Combustione nell'industria

02-Combustione non industriale

01-Produzione energia e trasform. combustibili

Speciazione IPA

1° problema: quali sono gli IPA considerati?

dalle comunicazioni con si ipotizza che questi siano gli IPA considerati nell’inventario APAT.

• indeno[123-cd]pyrene (I_P)

• benzo[k]fluoranthene (B[k]F),

• benzo[a]pyrene (B[a]P)

• benzo[b]fluoranthene (B[b]F),

2° problema: come definire i profili di emissione per tipologia di sorgente?

Fonti principali usate per questo run.

• Emission Inventory Guidebook (2009), usato per i profili delle emissioni da sorgenti di tipo industriale, da combustione residenziali, di altri trasporti ed incendi;

• Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere, Pitts (1999), da cui sono state prese informazioni più generiche, basate cioè sulla presenza dei diversi composti in atmosfera in area urbana; questi dati sono stati utilizzata in mancanza di ulteriori informazioni, per l’incenerimento dei rifiuti;

• COPERT III, usato per le emissioni da traffico.

Sviluppi:

• Grazie ai dati EMEP ora in nostro possesso si ipotizza una migliore conoscenza ed un raffinamento dei profili utilizzati.

Speciazione IPAConfronto totali (anno 2005): ISPRA vs EMEP vs TNO

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

TNO 2005 ISPRA2005 EMEP2005

KG/A

NN

O Indeno

BkF

BbF

BaP

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

TNO 2005 ISPRA2005 EMEP2005

Indeno

BkF

BbF

BaP

Diossine e Furani (g-teq)Fonte: inventario ISPRA2005, scala provinciale

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Diossine e furani

11-Altre sorgenti e assorbimenti

09-Trattamento e smaltimento rifiuti

07-Trasporto su strada

04-Processi produttivi

03-Combustione nell'industria

02-Combustione non industriale

01-Produzione energia e trasform. combustibili

Diossine e furani01-Produzione energia e trasform. combustibili 14.7302-Combustione non industriale 41.8403-Combustione nell'industria 116.2504-Processi produttivi 78.5907-Trasporto su strada 2.5709-Trattamento e smaltimento rifiuti 39.5911-Altre sorgenti e assorbimenti 0.45Totale complessivo 294.03

Speciazione diossine-furani

1° problema: quali sono le diossine ed i furani considerati?

Meno facile rispetto a quanto fatto per gli IPA;in base ai dati disponibili si è valutato di volta in volta il da farsi .

2° problema: come definire i profili di emissione per tipologia di sorgente?

Fonti principali.

• Istituto Superiore di Sanità;

• EPA;

• Sources and Fates of Polychlorinated Dibenzo-p-dioxins, Dibenzofurans and Biphenyls: The Budget and Source Inventory Approach - Stuart J.Harrad

• Fingerprints of dioxin from thermal industrial processes - A. Buekens, E. Cornelis, H. Huang, T. Dewettinck (2000);

• Dioxins emissions from bushfires in Australia - Technical report No. 1;

• COPERT III, usato per le emissioni da traffico.

Sviluppi:

• Grazie ai dati EMEP ora in nostro possesso si ipotizza una migliore conoscenza ed un raffinamento dei profili utilizzati.

Primi risultati simulazioni(anno di riferimento 2005)

PbConfronto concentrazioni medie annuali (2005)

EMEP-MSC-E FARM

EMEP (2008) MINNI (2005)

Concentrazioni medie annuali di Cd in aria

EMEP (2008) MINNI (2005)

Concentrazioni medie annuali di Hg in aria

EMEP (2008) MINNI (2005)

Concentrazioni medie annuali di B[a]P in aria

EMEP (2008) MINNI (2005)

Concentrazioni medie annuali di diossine e furani in aria

Misure (BRACE) vs stime modellistiche ?!? Pb

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.018

0.020

BO

CC

AD

IFA

LCO

(Pa)

GIU

LIO C

ES

AR

E(P

a)

IND

IPE

ND

EN

ZA

(Pa)

DI B

LAS

I (Pa)

µg

/m³

BRACE FARM

B[a]P

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

P.zza

PLO

UV

ES

(Ao)

µg

/m³

BRACE FARM

IPA

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

AC

QU

ED

OT

TO

(Sr)

BIX

IO (S

r)

TE

RA

CA

TI

(Sr)

ng

/m³

BRACE FARM*10

Elaborazione files MSC-EBinary to NetCDF (IC/BC),

concentrazioni medie annuali

B[b]F

Griglia EMEP ritagliata

Griglia FARM per MINNI

B[b]F

Attività da effettuare

1. Armonizzazione degli inventari ISPRA, EMEP e TNO. Eventuali approfondimenti sui profili di speciazione dei POPs;

2. Preparazione delle IC/BC utilizzando i campi 3D esaorari forniti da EMEP MSC-E, Integrazione con gli analoghi campi forniti da MSC-W relativamente ai macrainquinanti (sia per le IC/BC che per i campi di background);

3. Esecuzione del run 2005 “definitivo”;

4. Ricerca di ulteriori informazioni sperimentali (concentrazioni in aria / deposizioni) per una migliore valutazione delle prestazioni del sistema modellistico.

Primi confronti -

TNO vs ISPRA(anno di riferimento 2000)

PAHs Inventories Comparison

(kg/year, reference year 2000)

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

ISPRA TNO

kg/y

ear

7_WAS

6_NRT

5_ROT

4_SPU

3_IND

2_RCO

1_PHP

ISPRA TNO 1_PHP 694 6632_RCO 44201 1398983_IND 42518 147204_SPU 11 10105_ROT 1967 184866_NRT 371 1737_WAS 29526 0

TOT 119289 174950

PAHs Inventories Comparison

(kg/year, reference year 2000)

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

ISPRA TNO

kg/y

ear Indeno

BkF

BbF

BaP

ISPRA TNO BaP 53393 53145BbF 27449 63830BkF 10893 20483

Indeno 27555 37492

PAHs 119290 174950

PAHs Inventories Comparison

(kg/year, reference year 2000)

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

ISPRA TNO ISPRA TNO ISPRA TNO ISPRA TNO

BaP BbF BkF Indeno

kg/y

ear

7_WAS

6_NRT

5_ROT

4_SPU

3_IND

2_RCO

1_PHP

PAHs Inventories Comparison

(kg/year, reference year 2000)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1_PHP 2_RCO 3_IND 4_SPU 5_ROT 6_NRT 7_WAS

kg/y

ear

ISPRA 2000

Indeno

BkF

BbF

BaP

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1_PHP 2_RCO 3_IND 4_SPU 5_ROT 6_NRT 7_WAS

kg/y

ear

TNO 2000

Indeno

BkF

BbF

BaP

Pb

Griglia EMEP ritagliata

Griglia FARM per MINNI

Pb