Valutazione modellistica della Qualità dell`Aria

Valutazione modellistica della
Qualità dell’Aria
Anno 2011
Titolo del rapporto:
Valutazione modellistica della
qualità dell’aria per l’anno 2011
ARPA Lombardia – Agenzia Regionale per la Protezione
dell’Ambiente della Lombardia
U.O. Modellistica Atmosferica e Inventari – Settore
Monitoraggi Ambientali
Via Rosellini 17 - 20124 Milano
Protocollo n°:
Del:
Destinatario:
Regione Lombardia – Direzione
Generale Ambiente, Energia e Reti
Autori:
Edoardo Peroni, Giuseppe Fossati, Maria Abbattista, Elisabetta Angelino – ARPA Lombardia
Abstract
Il rapporto illustra le tecniche di modellazione utilizzate e i principali risultati ottenuti
nell’ambito della valutazione modellistica della Qualità dell’Aria relativa all’Anno 2011 e
condotta da ARPA Lombardia. Principale risultato del lavoro svolto è stato quello di ricostruire la
distribuzione spaziale delle concentrazioni degli inquinanti sul territorio lombardo e la loro
evoluzione nel corso del 2011.
Parole chiave modelli meteo-dispersivi, valutazione integrata annuale della qualità dell’aria
Per gli autori
Dr Edoardo Peroni
Verificato
Approvato
Dirigente
U.O. Modellistica Atmosferica
e Inventari
Direttore
Settore Monitoraggi Ambientali
Dr.ssa Elisabetta Angelino
Dr.ssa Silvia Anna Bellinzona
La normativa europea e nazionale richiede l’utilizzo di tecniche di modellazione quale supporto per la
conoscenza e la gestione della qualità dell’aria. ARPA Lombardia si è dotata da diversi anni di un
sistema atto a simulare le concentrazioni di inquinanti gassosi e di particolato; nel presente lavoro si
riportano i risultati ottenuti per la valutazione modellistica della qualità dell’aria relativa all’anno 2011.
Nel rapporto si richiama brevemente il sistema modellistico utilizzato (cap. 1), si descrivono i dati e le
principali ipotesi assunte (cap. 2, cap. 3) ed i risultati ottenuti nelle simulazioni condotte (cap. 4). La
valutazione dei risultati è basata su:
confronto tra i dati di concentrazione misurati dalle postazioni di monitoraggio di qualità
dell'aria ed i valori simulati estratti per la cella della griglia di calcolo contenente la centralina
di misura
confronto grafico tra i campi di concentrazione al suolo ottenuti per i diversi inquinanti. Le
prestazioni sono state inoltre quantificate sulla base dei più comuni indici statistici utilizzati nel
settore dalla comunità scientifica internazionale.
Indice
1. Descrizione del sistema modellistico
Pag. 1
2. I dati utilizzati per la simulazione
Pag. 3
4. I risultati
Pag. 4
APPENDICI
A. Confronto tra concentrazioni medie annuali misurate e calcolate su singole postazioni per il 2010
Pag. A-I
A.1 Medie annuali di PM10
A.2 Medie annuali di NO2
A.3 Medie annuali di O3
B. Indicatori di prestazione circa le concentrazioni di inquinanti simulate per l’anno 2010
B.1 Indicatori di prestazione per PM10
B.2 Indicatori di prestazione per NO2
B.3 Indicatori di prestazione per O3
Pag. B-I
1. Descrizione del sistema modellistico
Il sistema modellistico utilizzato per la simulazione di qualità dell’aria per l’anno 2011 è ARIA Regional,
sviluppato dalla società AriaNET srl, ed applicato presso la U.O. Modellistica Atmosfera e Inventari del
Settore Monitoraggi Ambientali di ARPA Lombardia.
Il nucleo del sistema, il modello euleriano FARM, appartiene alla famiglia di modelli che vanno sotto il
nome di Chemical Transport Models (CTM), in grado cioè di trattare i principali processi di natura
chimico-fisica di formazione e rimozione degli inquinanti, oltre al trasporto ed alla dispersione per
azione del vento e del rimescolamento atmosferico. Il sistema è costituito dai seguenti moduli (Figura
1.1):
- modello di trasporto, diffusione e chimica dell’atmosfera (FARM, tratta inquinanti gassosi e
particolato aerodisperso primario e secondario);
- processori per l’organizzazione delle misure meteorologiche;
- modello diagnostico per la ricostruzione dei campi di vento, temperatura ed umidità (SWIFT);
- modello per la stima dei parametri che descrivono la turbolenza atmosferica, per la
determinazione della velocità di deposizione secca degli inquinanti gassosi e per la
determinazione delle costanti di chiusura delle equazioni euleriane (SURFPRO);
- modulo per l’elaborazione di inventari di emissione e la preparazione dei files emissivi in input
al modello FARM (EMission MAnager);
- moduli per la preparazione delle condizioni iniziali ed al contorno al modello FARM appoggiantesi al database regionale di qualità dell'aria ed ai campi simulati a scala continentale dal
modello CHIMERE.
Il cuore del sistema, il modulo chimico dispersivo FARM, è lo stesso incluso nella catena che ENEA, su
incarico del Ministero per l’Ambiente ed in collaborazione con AriaNET srl e IIASA (International
Institute for Applied Systems Analysis), ha sviluppato nell’ambito del progetto MINNI.
Per armonizzare le concentrazioni misurate con quelle calcolate, vengono utilizzate tecniche di
interpolazione tra campi simulati e misure. Gli algoritmi alla base di questo procedimento (SCM –
Successive Corrections Method) fanno si che in un opportuno intorno di alcuni punti di misura, scelti in
modo da essere rappresentativi di un’area sufficientemente ampia, i valori calcolati vengano
“avvicinati” al valore misurato, in modo da compensare eventuali errori sistematici nel calcolo derivanti
da carenze nella stima delle emissioni o della meteorologia, oppure per ridurre l’effetto di smoothing
introdotto dal passo di grigliato. In questo procedimento, detto di data fusion, si sono utilizzati i valori
misurati da alcune postazioni di misura, tutte classificate come di fondo (background urbano,
suburbano, rurale).
Il sistema appena descritto è utilizzato correntemente da ARPA Lombardia per più scopi, quali la
ricostruzione di episodi critici di ozono e particolato PM10 e l’analisi dell’impatto sulla qualità dell’aria di
scenari emissivi. Su richiesta dei Dipartimenti provinciali ARPA, inoltre, è utilizzato per estrarre risultati
su porzioni del territorio o per essere applicato con risoluzione maggiore per analisi di ricadute locali.
Infine, dal 2008 il sistema viene quotidianamente utilizzato in modalità operativa di ‘tempo quasi
reale” o Near Real Time (NRT) per la costruzione e la pubblicazione sul sito di ARPA di mappe di
inquinamento giornaliere [http://www.arpalombardia.it/qaria/doc_DistribSpazialeCalcolata.asp].
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
Figura 1.1: schematizzazione del sistema modellistico
M isure rete
R adiosondaggi
ECMWF
Uso del suolo
Orografia
SWIFT
SURPRO
Tabelle
disaggregazione
e speciazione
INEMAR
APAT
EMEP
EMISSION
MANAGER
u v w T P RH
E missioni
puntuali e
diffuse
Vd K H K V
Sotto - sistema METEO
CHIMERE
Sotto - sistema EMISSIONI
FARM
IC e BC
Sotto - sistema
CHIMICO -TRASPORTO
Campi
concentrazione
VALUTAZIONE
QUALITÀ ARIA
Sotto - sistema POSTPROCESSING
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
2. I dati utilizzati
Il sistema modellistico è
stato
applicato
ad
un
dominio
di
calcolo
di
236x244 km2 centrato sulla
Regione Lombardia (figura
2.1), coperto da un grigliato
di passo 4 Km e 11 livelli
verticali estesi da 10 a circa
9000 m di quota. La
simulazione è stata condotta
sull’intero anno 2011.
Figura 2.1: area di studio
Per la ricostruzione dell’input emissivo si sono utilizzati i seguenti dataset: 1) INEMAR 2008 versione
definitiva (a livello comunale) per le emissioni relative al territorio lombardo; 2) APAT 2005
(disaggregato a livello provinciale a partire dal nazionale) per le emissioni relative alle regioni
circostanti; 3) EMEP 2005 (griglia di 50 km di lato) per le emissioni relative al territorio svizzero. È da
osservare che in nessun caso vengono contemplate le emissioni di terrigeno dovute all’azione degli
agenti atmosferici e non viene trattato il risollevamento delle deposizioni secche, mentre si
conteggiano le emissioni dovute all’usura delle parti mobili dei veicoli su strada e del manto stradale.
La preparazione per il modello delle emissioni diffuse relative al territorio in esame, ottenute
integrando i diversi inventari utilizzati, ha richiesto un procedimento di disaggregazione spaziale su
cella, ottenuta attraverso l’uso del suolo CORINAIR ed. 2003. La disaggregazione temporale delle
emissioni annuali è stata ottenuta considerando modulazioni mensili, giornaliere ed orarie; la
speciazione dei COVNM e del particolato totali nelle classi di composti considerati dal modello
fotochimico è stata ottenuta mediante profili relativi a ciascuna attività emissiva.
Per la costruzione dei file meteorologici il sistema si interfaccia al Database Unico di ARPA Lombardia
che raccoglie i dati delle reti di qualità dell’aria, meteorologica ed idrogeologica. L’input meteo viene
costruito assimilando ai campi forniti dallo European Centre for Medium-Range Weather Forecast
(ECMWF), trattati come profili verticali per ciascun punto della griglia del modello, i dati raccolti su
base oraria da un sottoinsieme di stazioni delle reti locali e dai radiosondaggi fini di Linate mediante il
modello mass-consistent Swift. I parametri di turbolenza atmosferica e le velocità di deposizione degli
inquinanti sono poi stimati con il processore Surfpro.
Le condizioni al contorno ed iniziali sono ricavate a partire dalle elaborazioni quotidiane fornite dal
sistema Prev’air (CHIMERE continentale - a 50 km di risoluzione orizzontale).
Per quanto riguarda un’analisi meteorologica del 2011, si rimanda al documento redatto dal Servizio
Meteorologico Regionale di ARPA Lombardia di prossima pubblicazione all’indirizzo web
http://ita.arpalombardia.it/meteo/documentazione.asp
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
3. I risultati
La valutazione dei risultati si basa sul confronto quantitativo tra i dati di concentrazione misurati dalle
postazioni di monitoraggio di qualità dell'aria ed i dati simulati estratti per la cella della griglia di
calcolo in corrispondenza delle coordinate delle stazioni, sul confronto grafico tra i campi di
concentrazione al suolo ottenuti per i diversi inquinanti, sull’analisi della distribuzione temporale delle
concentrazioni misurate e calcolate. Le postazioni della rete di qualità dell’aria della Lombardia sono
state scelte in base alla tipologia di stazioni, indicata dalla U.O. Qualità dell’Aria, alla distribuzione
geografica ed alla completezza della serie di dati 2011. Si è ritenuto di focalizzare l’attenzione su
ozono, biossido d’azoto e particolato PM10 in quanto questi sono gli inquinanti che presentano
superamenti dei limiti di legge sul territorio regionale.
Il rispetto degli obiettivi di qualità dei dati è stato valutato confrontando il diagramma di dispersione
dei valori simulati ed osservati di ogni inquinante con l’intervallo di incertezza specifico fissato dalle
norme e con la valutazione di indici comunemente riportati nella letteratura specializzata e nei rapporti
tecnici della comunità europea. Essi sono stati calcolati per ogni stazione di misura per i vari inquinanti
e sono riportati nelle tabelle di sintesi in appendice B.
La figura 4.1 presenta le concentrazioni medie annuali 2011 misurate presso le postazioni (in ascissa)
e quelle estratte dalla simulazione annuale (ordinata) per la cella corrispondente. Ogni punto si
riferisce ad una singola postazione; vengono inoltre presentati i risultati del modello puro e
dell’interpolazione tra modello e dati misurati. Il cono tratteggiato rappresenta l’intervallo di qualità dei
dati stabilito dalla normativa per la media su base annuale e rispettivamente pari a ±50% per il PM10
e ±30% per l’NO2; si è riportata, infine, analoga rappresentazione per la media annuale di ozono, con
indicazione dell’intervallo ±50%. Per quanto riguarda il confronto con gli obiettivi di qualità dei dati, la
legislazione di riferimento è rappresentata dal D.Lgs. 13 agosto 2010 n. 1551, e dal D.Lgs. 21 maggio
2004 n. 1832. I due decreti introducono la richiesta che le tecniche di modellazione siano validate
secondo procedure documentate ed i risultati accompagnati dal loro grado di incertezza, intendendo
con questa la “deviazione massima dei livelli di concentrazione misurati e calcolati, nel periodo
considerato, per il calcolo della pertinente soglia, a prescindere dall’ordine cronologico degli episodi”.
Per una più immediata interpretazione si è riportato in forma grafica in appendice A il valore annuale
misurato e calcolato per ciascuna postazione considerata. Anche in questo caso sono rappresentati i
confronti fra concentrazioni misurate e simulate con e senza l’utilizzo delle tecniche di data fusion per
consentire di valutarne la diversa influenza in relazione alle varie postazioni.
Per quanto riguarda il particolato PM10 si evidenzia una lieve tendenza alla sottostima dei valori medi
giornalieri e medi annuali. Tuttavia per tutte le postazioni il modello fornisce risultati che rientrano
nell’intervallo di qualità dei dati stabilito dalla normativa (±50%) per la media sul periodo.
L’introduzione delle tecniche di data fusion è molto efficace e consente di portare i valori attorno alla
bisettrice. Com’è da attendersi, ed il discorso vale anche per gli altri inquinanti considerati, le
prestazioni del modello nel riprodurre il dato misurato decrescono per quelle postazioni fortemente
influenzate da fonti di emissione locali che il modello computa, ma diluisce su un volume più ampio; il
1
“Attuazione della Direttiva 2008/50/CE relativa alla qualità dell’aria ambiente e per un’aria più pulita in Europa”
2 “Attuazione della Direttiva 2002/3/CE relativa all’ozono nell’aria”.
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
confronto tra dato modellato e misurato va effettuato tenendo sempre presente che il modello di
qualità dell’aria fornisce la concentrazione media stimata su celle (in questo caso) di 16 km2, mentre la
postazione di misura restituisce un valore puntuale dalla rappresentatività più o meno ampia in base
alle caratteristiche del sito e delle sorgenti emissive presenti.
La media annuale di ozono è discretamente riprodotta, così come i valori massimi giornalieri (vedasi
l’Appendice B). Il confronto tra le medie giornaliere, figura 4.2, mette in luce una sovrastima da parte
del modello della media dei valori misurati nel periodo estivo.
La media annuale di biossido di azoto simulata è molto variabile fra le postazioni, con un impatto
inferiore dell’interpolazione dei dati misurati: le caratteristiche di questo inquinante suggeriscono l’uso
di un passo di griglia più stretto o procedimenti interpolativi che non escludano l’uso dei dati derivanti
dalle postazioni da traffico urbano e suburbano.
Infine, l’informazione sulla distribuzione spaziale delle concentrazioni è fornita dalle mappe in figura
4.3 per tutto il territorio regionale e in figura 4.4 a dettaglio provinciale (in questi casi per la
rappresentazione delle concentrazioni di ozono si è privilegiato l’indice AOT40)
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
Confronto NO2 misurato e calcolato
2011 con assimilazione
80
80
70
70
60
60
50
50
calcolato
calcolato
Confronto NO2 misurato e calcolato
2011 senza assimilazione
40
30
40
30
20
20
10
10
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
m isurato
0
10
20
30
40
50
60
70
80
misurato
Figura 4.1: diagramma di dispersione delle concentrazioni medie annuali relative al 2011 di PM10, NO2,
O3 misurate e simulate con (dx) e senza (sx) tecniche di data fusion.
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
Figura 4.2: confronto delle concentrazioni medie giornaliere relative al periodo 1 gennaio - 31
Dicembre 2011 di PM10, NO2, O3 per la postazione di Milano Pascal misurate e simulate con e senza
tecniche di data fusion.
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
(a
)
(b
)
Figura 4.3: (a) mappe delle concentrazioni medie annuali di PM10, NO2, e dell’
indice AOT40 per l’ ozono e (b) numero di superamenti del limite di 50 µg/m3 per
la media giornaliera di PM10; simulazioni condotte con il modello FARM e con
successivo processo di data fusion per le stazioni di fondo, anno 2011.
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
BG
BS
CO
CR
LC
L0
MB
MI
MN
PV
SO
VA
Figura 4.4a: mappa delle concentrazioni dell’ indice AOT40 per l’ ozono per le province lombarde, simulate con il modello FARM e successivo
procedimento di data fusion con le sole stazioni di fondo, anno 2011.
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
BG
BS
CO
CR
LC
LO
MB
MI
MN
PV
SO
VA
Figura 4.4b: mappa delle concentrazioni medie annuali di NO2 per le province lombarde, simulate con il modello FARM e successivo procedimento di
data fusion con le sole stazioni di fondo, anno 2011.
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011
BG
BS
CO
CR
LC
LO
MB
MI
MN
PV
SO
VA
Figura 4.4c: mappa delle concentrazioni medie annuali di PM10 per le province lombarde, simulate con il modello FARM e successivo procedimento di
data fusion con le sole stazioni di fondo, anno 2011.
Valutazione modellistica della Qualità dell’Aria – Anno 2011