Modellistica della qualità dell'aria: l aerosol atmosferico

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1 Modellistica della qualità dell'aria: l aerosol atmosferico Seminario IAS FAIRMODE_IT 29 Gennaio 2014 Confronto fra modelli euleriani e al recettore per l analisi del ruolo delle sorgenti emissive G. Pirovano 1, C. Colombi 2, G. Lonati 3 A. Balzarini 1, G.M. Riva 1 and V.L. Gianelle 2 (1) (2) (3) 1

2 Domande CMB e CAMx/PSAT -> due modelli per Source Apportionment E possibile validare i risultati ottenuti? Il confronto fra i due approcci permette di evidenziare punti di forza e debolezza di entrambi i metodi? E possibile ottenere informazioni più accurate sul ruolo delle diverse sorgenti emissive ed i processi di formazione del particolato? 2

3 I caso studio Il caso studio Milano 3

4 I caso studio PARFIL Misure disponibili Sampling campaign design Period: Daily PM2.5 gravimetric sampling Sampling sites: 6 UB, 3 UT, 1 RB and 1 Alpine site. Analysis on collected filters (about one week each month per kind of component): about 700 daily concentration data per site and kind of component Elements(Z>11) Al, Si, Ca, Sr, K, Fe, Ti, Mn, V, Cr, Ni, Cu, Br, Pb, Zn, Cl, S XRF Carbon OC, EC TGA/FT-IR and ATOT Cations and Anions Chloride, Nitrate, Solphate, Ammonium IC PAH s B(a)P, B(a)A, B(b)F, B(k)F, I(1,2,3-c,d)P, DB(a,h)A, Fluoranthene, Pyrene, Chrysene, B(g,h,i)P HPLC 4

5 CMB CMB8.2 - Configurazione Operation Control file: none Set option conditions: standard Britt and Luecke: done Source elimination: none Best fit: none Ambient Data Selection: Winter and Summer semestre, each site Fitting Sources Arrays: Transport Light Duty Diesel Vehicles Transport Heavy Duty Diesel Vehicles Transport Gasoline Tire and Brake Wear Erosion Ammonium Sulphate Ammonium Nitrate Domestic Biomass Burning Agricultural Burning (Open Burning) Profili sorgente CMB = Profili emissivi CAMx SPECIATE (EPA) ARPA Lombardia AMAT-MI 5

6 CAMx/PSAT CAMx - Sistema modellistico INPUT METEOROLOGY (ECMWF) and LAND USE DATA (USGS) Meterological model (WRF, RAMS,MM5, ) BOUNDARY CONDITIONS PROCESSOR LARGE SCALE MODEL SEASALT and DUST MODEL Chemical and Transport model (CAMx + PSAT) CONCENTRATIONS and DEPOSITIONS BVOC MODEL (MEGAN) ACTIVITY INDICATORS and LAND USE DATA EMISSION MODEL (SMOKE) EMISSION INVENTORIES (EMEP, ISPRA) 6

7 CAMx CAMx - configurazione Campi Meteorologici WRF v domini innestati anno 2005 Europa (45 km), Italia (15 km), Pianura Padana (5 km) ECMWF Campi di analisi come condizione iniziale ed al contorno Emissioni Inventari INEMAR per Lombardia, Piemonte, Veneto, Emilia Romagna ISPRA e EMEP 2005 per resto del dominio PSAT 28 categorie emissive (Trasporto, energia, agricoltura, combustione biomassa, ) Modulo Aerosol Composizione chimica: Crustal, Primary Organic, Elemental Carbon SO4=, NO3-, NH4+, H2O, Na+, Cl-, SOA Static Coarse/Fine size bins approach Equilibrio termodinamico: Modulo per Aerosol Secondario Organico (primario) (secondario) ISORROPIA SOAP 7

8 CAMx Analisi dei risultati PM 2.5 KO OK KO OK 8

9 CAMx Contributo delle sorgenti PM 2.5 EC

10 CAMx vs CMB Chiusura di massa OK KO CAMx estivo CMB invernale CAMx invernale CMB estivo 10

11 CAMx vs CMB Confronto contributi medi stagionali PM 2.5 Concentrazione media stagionale Categoria emissiva Solfato d ammonio Nitrato d ammonio Trasporto su strada Media stagionale x sito (μg m -3 ) Site-by-site SCEs CMB PSAT R 3.4 ± ± ± ± ± ± 10.1 OK 4.0 ± ± ± ± ± ± Biomassa x Riscaldamento domestico 4.2 ± ± 10.6 KO 0.8 ± ± Combustione in agricoltura 1.6 ± ± ± ± Estate Inverno 11

12 CAMx vs CMB Analisi al recettore PM 2.5 Concentrazione media stagionale Milano Stagione Invernale Cantù Stagione Estiva 12

13 CAMx vs CMB Analisi al recettore Frazione carboniosa Concentrazione media stagionale CMB SCEs (µg m -3 ) CMB SCEs (µg m -3 ) CMB SCEs (µg m -3 ) CMB SCEs (µg m -3 ) Biomassa per Riscaldamento domestico EC winter EC summer OC winter OC summer Inverno Trasporto su strada CAMx SCEs (µg m -3 ) CAMx SCEs (µg m -3 ) 12.2 Estate EC winter CAMx SCEs (µg m -3 ) EC EC summer CAMx SCEs (µg m -3 ) OC OC winter OC summer 13

14 CAMx vs CMB Conclusioni e domande aperte Metodologia Verifica della chiusura di massa Identificazione e verifica delle sorgenti più significative Identificazione di sorgenti e processi mancanti in CTM (risospensione, SVOC, ) Individuazione di possibili outlier in RM Verifica della correlazione spaziale (e temporale) Possibili incongruenze dovute alla definizione di specie/sorgente secondaria Profilo di speciazione delle emissioni (CTM) vs profilo sorgente (RM) Il concetto di incertezza Approccio orientato alla massa (CTM) vs approccio orientato al tracciante (RM) Analisi dei risultati CAMx fornisce risultati più omogenei e quindi livelli di performance più sistematici (sia nel bene che nel male ) CMB fornisce una migliore chiusura di massa CMB più congruente in inverno che in estate (minore influenza dell incertezza?) CMB in alcuni casi sovrastima i contributi di alcune sorgenti e/o identifica sorgenti poco congruenti con l area CAMx identifica un maggior numero di categorie emissive (suddivise anche per aree) CAMx sottostima parzialmente TC da biomassa (con parziale sovrastima OC/EC) CAMX sottostima fortemente OC da trasporto su strada (emissioni? Processi Aerosol?) 14

15 Grazie per la vostra attenzione! 15

16 CMB CMB8.2 - Performance Diagnostic parameter R 2 Χ 2 Percent mass Cold season (0.58 ± 0.22) (36 ± 20) (97 ± 19) Warm season (0.58 ± 0.20) (38 ± 19) (125 ± 26) Target values > 0.8 <1 (good fit) 1 2 (acceptable fit) 80% - 120% SCEs t-statistics always > 2 always > 2 > 2 16

17 CAMx/PSAT CAMx/PSAT PSAT - Particulate Source Apportioning Technology (Yarwood et al., 2004) PSAT utilizza delle specie aggiuntive (traccianti reattivi) per ripartire le concentrazioni di PM primario, secondario e dei corrispondenti precursori gassosi alle corrispondenti aree e categorie emissive Quantificare il ruolo delle diverse sorgenti emissive Investigare, sorgente per sorgente, gli effetti della nonlinearità dei processi chimici sulle concentrazioni di PM 17

18 CAMx/PSAT CAMx/PSAT Zero-out (i.e. removing emissions) Z.O. 1 S1 PM 2.5 (1) PSAT PM 2.5 PSA T S1 S2 PM 2.5 Z.O. 2 Other PSAT Advantages S 2 Time saving (one simulation) Mass consistency PM 2.5 (2) Fully traceable 18

19 CAMx/PSAT CAMx/PSAT Reactive tracers approach: sulphur source apportionment Tracer concentration in each cell = Emission+Transport+ chemical transformation CAMx Total rate TRACERS 1. Emission TSO ( t t) em TSO ( t) E SO 2 V ( t) e SO e i SO ( t) ( t) WEIGHTS 2. Transport TSO t t tr TSO t em SO 2 tr TSO i TSO in ( in t) em ( t) em 3. Chemistry TSO ( t t) chem TSO ( t) tr SO 2 chem TSO i TSO ( t) tr ( t) tr 19

20 CAMx/PSAT CAMx/PSAT Reactive tracers approach - Sulphate Sulphate formation (chemistry step in cell I,J,K) SO 2 PSO 4 CAMx Total rate SO 2 removal Sulphate production TRACERS SO t t SO t SO 2 PS t t PS t PSO 4i 4 i 4 SO () t SO () t SO () t SO () t WEIGHTS Mass Balance SO2 SO2 PSO 4 PS 4 i i i i 20

21 CAMx Categorie emissive group_number label definizione combustibile 1 01ele Centrali Termo-Elettriche mix 2 01ele_bio Centrali Termo-Elettriche biomassa 3 01ele_oth Centrali Termo-Elettriche altro 4 01ene 01 - Combustione nelle industrie energetiche (eccetto 0101 mix 5 01ene_bio 01 - Combustione nelle industrie energetiche (eccetto 0101 biomassa 6 01ene_oth 01 - Combustione nelle industrie energetiche (eccetto 0101 altro 7 02ris 02 - Impianti di combustione non industriale (eccetto biomasse altro 8 02bio 02 - Impianti di combustione non industriale a biomasse biomassa 9 03cin 03 - combustione industria altro 10 03cin_bio 03 - combustione industria biomassa 11 07aut Trasporti stradali - Automobili mix 12 07aut_gas Trasporti stradali - Automobili benzina 13 07aut_die Trasporti stradali - Automobili diesel gpl-gas naturale 14 07aut_gpl Trasporti stradali - Automobili 15 07aut_usu Trasporti stradali - Automobili (usura) 16 07tra 07 - Trasporti stradali (eccetto 0701) mix 17 07tra_gas 07 - Trasporti stradali (eccetto 0701) benzina 18 07tra_die 07 - Trasporti stradali (eccetto 0701) diesel 19 07tra_usu 07 - Trasporti stradali (eccetto 0701) (usura) 20 07eva INEMAR - 07eva 21 08off 08 - Altre sorgenti e macchinari mobili (fuori strada) mix 22 08off_gas 08 - Altre sorgenti e macchinari mobili (fuori strada) benzina 23 08off_die 08 - Altre sorgenti e macchinari mobili (fuori strada) diesel 24 09rif 09 - Trattamento dei rifiuti e discariche 25 10agr 10 - Agricoltura 26 11nat 11 - vulcani ed altre emissioni naturali (no biogeniche, no sale) +incendi 27 bs biogeniche e sale 28 other altro 29 Boundary Conditions Contributo trasporto a lunga distanza 21

22 CAMx vs CMB Analisi al recettore PM 2.5 Concentrazione media stagionale Milano Stagione Invernale Lodi Stagione Invernale Cantù Stagione Estiva 22