Modelli numerici per lo studio della dispersione di inquinanti in atmosfera

STEFANO ALESSANDRINIGruppo modellistica atmosferica CESI

INDICE

Presentazione delle attività del gruppo di modellistica dell’atmosfera del CESI

tipologie di modelli utilizzati

descrizione di 3 modelli con alcuni esempi di applicazione

Le nostre attività

Attività di ricerca finanziate dal Ministero del Tesoro

Attività per terzi (Valutazioni di impatto ambientale di centrali elettriche)

Il gruppo di modellistica atmosferica comprende 7 persone orientate verso le varie tipologie di modelli e attività

20 anni di esperienza in questo settore

Cosa è un modello di dispersione?

Data una emissione di una certa sostanza in atmosfera (boundary layer) calcola le concentrazioni di questa sostanza nei punti dello spazio circostanti

Lo scopo di una simulazione modellistica può essere quello di un confronto delle concentrazioni calcolate con quelle di riferimento della normativa di legge oppure di verificare l’impatto di una variazione dello scenario emissivo (ad es. modifiche di un impianto di generazione o flussi di traffico)

Tipologie di modelli utilizzate al CESI

Modelli euleriani (STEM, CAMX) di chimica e trasporto, sorgenti puntuali o diffuse, risoluzione orizzontale max 1 Km in orizzontale

Modelli gaussiani (ISC3ST) sorgenti puntuali o diffuse dominio di calcolo 25x25 Km2, risoluzione orizzontale max 100 m

Modelli lagrangiani a particelle (SPRAY), sorgenti puntuali o diffuse dominio di calcolo 25x25 Km2, risoluzione orizzontale max 100 m

Modelli di chimica e trasporto

Finalizzati alla ricostruzione dell’inquinamento secondario:Ozono troposferico, Particolato, deposizioni acide

Modelli euleriani tridimensionali a griglia

Sono in grado di ricostruire i seguenti processi: Emissioni da sorgenti areali e puntuali Trasporto e diffusione turbolenta Trasformazioni chimiche (fase gas e fase aerosol) deposizione secca e umida

Inquinanti considerati: NOX, O3, VOC, HNO3, SO2, H2SO4, NH3, PPM

Modelli di chimica e trasporto

Domini di calcolo Orizzontale: 200-2000 km con risoluzione da 1 a 100 km Verticale: 5000-10000 m con risoluzione crescente (30-

1000 m)

Aspetti numerici Integrazione eq. chimiche: circa 80% delle risorse di

calcolo Fase gas: schemi espliciti/impliciti in funzione della

reattività Fase aerosol: ottimizzazioni per il calcolo dell’equilibrio

termodinamico (stato di equilibrio che minimizza l’energia libera)

Sistema modellistico

Dati orografici eterritoriali

Campi meteorologici

ECMWF

Misure Meteorologiche

al suolo e di profilo

ProcessoreMETEOROLOGICOCALMET o RAMS

Modello di CHIMICA e TRASPORT

O

Concentrazionimodello EMEP

BOUNDY

Condizionial contorno

Concentrazionidegli

inquinanti

Processore delleEMISSIONI

Inventari delle emissioni

Campi emissivi

Indicatori diattività

Campimeteorologici

Misure diQualità dell’aria

Esempi di casi studio - progetto CITYDELTA

O3 - Media apr/sett 1999

TORI NO

MI LANO

GENOVA

TRENTO

VERONA

PI ACENZA

MODENA

BRESCI A

VARESEBERGAMO

SONDRI O

PARMA

NOVARA

ALESSANDRI A

4900

4950

5000

5050

5100

5150

(UT

M -

km

)

400 450 500 550 600 650

(U TM - km )

[ug/m 3]

0510152025303540455055606570

TORI NO

MI LANO

GENOVA

TRENTO

VERONA

PI ACENZA

MODENA

BRESCI A

VARESEBERGAMO

SONDRI O

PARMA

NOVARA

ALESSANDRI A

4900

4950

5000

5050

5100

5150

(UT

M -

km

)

400 450 500 550 600 650

(U TM - km )

[ug/m 3]

0510152025303540455055606570

PM10 - Media annuale 1999

Esempi di casi studio - progetto CITYDELTA

Caratteristiche della simulazione Codice utilizzato: CAMx (Environ U.S.A.) Calcolatore: 1 PC Linux (2.2 Ghz con 640 Mb di memoria RAM) Compilatore: Portland per Fortran 77 Parallelizzazione: no Modalità di simulazione: su base giornaliera con restart Time step

trasporto orizzontale: 1-5 minuti chimica: inferiore al minuto

Tempo macchina 1 giorno di simulazione: 1h 30’ 1 anno di simulazione: circa 22 giorni

Il modello gaussiano ISC3ST

Necessita di un input meteorologico orario che comprende (velocità e direzione del vento, temperatura dell’aria, classe di stabilità)

Risolve una equazione del tipo:

hs

heht

ha

condizioni stabili (categorie E, F)

hs

heht

ha

condizioni instabili e neutre (categorie A, B, C, D)

2

2

2

2

2exp

2exp

2),,(

z

m

yzy

hzy

U

QzyxC

Il modello gaussiano ISC3ST

Pregi facile utilizzo (rivolto anche ad utenti “poco esperti”) input meteorologico semplice run molto veloci (poche ore di calcolo su un singolo processore

Pentium 2.2 Ghz per 3-4 anni di simulazione) consente di confrontarsi con i limiti di legge (percentili e medie

annuali)

Difetti sovrastima delle concentrazioni specie in presenza di orografia

complessa (l’orografia viene introdotta solo dando diverse altezze ai recettori)

non applicabile in situazioni poco stazionarie (regimi di brezza in presenza, ad esempio, dell’interfaccia terra-mare) o con forti disomogeneità spaziali (stratificazione verticali)

ogni ora di simulata non tiene conto del “passato”

Simulazione di lungo periodo: ISCST3

Confronto con la normativa

Esempi di applicazione

Disposizione recettori Mappa del 99.8 percentile di NO2

Il modello di calcolo SPRAY

Modello lagrangiano a particelle per terreno complesso La dispersione degli inquinanti viene ricostruita

schematizzando l'emissione attraverso un insieme di unità di piccolissime dimensioni di massa nota

Ogni particella segue una diversa realizzazione (evoluzione) del flusso turbolento

Il modello SPRAY

Finalizzato alla ricostruzione dell’inquinamento primario in condizioni disomogenee (ad es. regimi di brezza)

E’ in grado di considerare sorgenti puntali, lineari (strade) o areali anche con emissioni discontinue nel tempo

il dominio considerato solitamente è 25x25 Km2 ma non vi è un limite superiore alle dimensioni del dominio

la risoluzione orizzontale del campo delle concentrazioni è di circa 100m, può diminuire emettendo un numero maggiore di particelle, si calcola:

'))('(1

),( )(

1

dxtXxQV

txc mM

mji

j

Il modello di calcolo SPRAY

Basato su 3 equazioni di Langevin per le velocità casuali (Thomson 1987)

U è la velocità media del vento

è il termine deterministico che dipende da PE(x,u)

è il termine stocastico dove dW(t) è un processo incrementale di Wiener, dt ( numero casuale media zero e varianza 1)

si assume PE(x,u) gaussiana perle componenti orizzontali, e non gaussiana verticalmente, per tenere conto delle disomogeneità verticali e della convezione

)()u,x()u,x( tdWbdtadu

dtd uUx

dta )u,x(

)()u,x( tdWb

Il modello SPRAY: schema di funzionamento

CROMET FILECROMET FILE

TURKEY

SPRAY code 3D METEO+TURBULENCE

EMISSIONI

RUNPARAMETERS

CONCENTRATIONCONCENTRATION

FILE PARTICLE FILE

3D WIND FIELDCampo di vento 3D

Temperatura e Radiazione netta

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

ore

°C

-100

0

100

200

300

400

500

600

W/m

2

Temperatura

NetRadiation

2D LAND USE2D LAND USE

Campo di vento e turbolenza prognostico RAMS+ MIRS

Campo di vento e turbolenza: 2 approcci

DiagnosticoMinerve+Turkey

PrognosticoRAMS-MIRS

Esempio di simulazione

Campo di vento Campo di concentrazioni

Particelle

Il modello SPRAY

Pregi simula condizioni disomogenee e convettive può considerare qualsiasi tipo di forma e dimensioni della

sorgente di inquinante è “facilmente” parallelizzabile con alta efficienza, ogni

particella si muove indipendentemente dalle altre

Difetti tempi di calcolo elevati risulta complicato effettuare delle simulazioni di lungo

periodo non considera le reazioni chimiche degli inquinanti emessi richiede un input meteorologico accurato

Il modello Spray: alcuni dettagli

codice Fortran 90/77

compilatore Portland per LINUX

Tempi di calcolo: 90% utilizzato per spostare le particelle quindi la durata di una simulazione dipende soprattutto dal numero di sorgenti (particelle emesse)

Solitamente per una sorgente puntuale (camino di un impianto di generazione) su un PC Pentium 2,2 Ghz 1 giorno di simulazione 6 ore di calcolo (1 anno 90 giorni)

La durata di una simulazione su un cluster di 7 Pc Linux è 1/7 vista l’alta efficienza di parallelizzazione

Spray: sviluppi futuri

Parallelizzazione effettiva usando le librerie MPI (implementate su Linux con il pacchetto free Mpich)

algoritmi di deposizione secca e umida

reazioni chimiche per gli inquinanti primari (modelli 2 particelle, accoppiamento con un euleriano semplice)

3

2

23

;2

223

ONONO

Oh

CkCdt

dC

ONONO

ONOONO