Analisi dell'episodio di inquinamento da particolato del ottobre 2013

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1 Pagina 1 di 16 DIPARTIMENTO TEMATICO SISTEMI PREVISIONALI Struttura Semplice 03 Qualità dell Aria Analisi dell'episodio di inquinamento da particolato del ottobre 2013 RELAZIONE TECNICA Redazione Stefano Bande, Francesco Lollobrigida, Milena Sacco, Mauro M. Grosa Data: Firma: firmato in originale Verifica Funzione: Responsabile S.S. Qualità dell Aria Data: Firma: firmato in originale Approvazione Mauro M. Grosa Funzione: Responsabile Dipartimento Tematico Sistemi Previsionali Anna Maria Gaffodio Data: Firma: firmato in originale

2 Pagina 2 di 16 Episodio di inquinamento da particolato del ottobre 2013 Nei giorni 19 e 20 ottobre 2013 sono stati rilevati, sulla maggior parte del territorio piemontese ad esclusione dell ambito montano, anomali superamenti del valore limite giornaliero di PM10 (50 µg/m 3 ), oltre che valori elevati anomali di concentrazione di PM2.5. Tali valori di concentrazione, in particolare per quanto concerne il PM10, sono in alcuni siti più elevati rispetto a quelli solitamente misurati nei giorni dell anno più critici ovvero nei mesi invernali. Fig.1 Stima della distribuzione spaziale della concentrazione giornaliera di PM10 per la giornata del 20 ottobre Elaborazione dei dati della rete regionale con l'ausilio della modellistica di dispersione. Nel seguito del documento è dapprima considerata, con l'ausilio delle analisi meteorologiche prodotte quotidianamente dal Dipartimento Sistemi Previsionali, la situazione meteorologica che ha caratterizzato il periodo in esame e successivamente sono analizzati i dati di qualità dell'aria a disposizione (misurati e simulati) per valutare le cause che hanno determinato l'evento di inquinamento. Caratterizzazione meteorologica e meteodiffusiva

3 Pagina 3 di 16 A scala sinottica il periodo in esame è caratterizzato inizialmente dalla presenza di una vasta saccatura atlantica al largo delle Isole Britanniche e di un promontorio anticiclonico sul bacino occidentale del Mediterraneo. Tale configurazione determina un flusso nordoccidentale in quota e favorisce sul Piemonte per le giornate del 17 e del 18 ottobre (Fig. 2) condizioni di bel tempo, stabile e soleggiato, con foschie e locali banchi di nebbia solamente nelle ore più fredde della giornata. Fig.2 Mappe di analisi dell'altezza di geopotenziale a 500hPa per le 00UTC del 18 (sinistra in alto) 19 (destra in alto), 20 (sinistra in basso) e 21 ottobre (destra in basso) ottobre (ECMWF, European Centre For Medium Range Weather Forecast). Si osserva come il promontorio anticiclonico (in arancione/rosso) progressivamente ceda sotto la spinta di una perturbazione atlantica (in azzurro/blu). Dal giorno successivo (19 ottobre) l'area di alta pressione tende lentamente ad erodersi sotto la spinta della saccatura atlantica in progressivo avvicinamento all'arco alpino. Le correnti in quota ruotano, disponendosi dai quadranti sudoccidentali, favorendo così un maggiore apporto di umidità sulla nostra regione (Fig. 3). Nelle giornate del 19, 20 e 21 sul Piemonte si assiste quindi ad un

4 Pagina 4 di 16 progressivo aumento della copertura nuvolosa, soprattutto sulle zone di pianura, ma senza precipitazioni di rilevo, fino a martedì 22 quando la perturbazione atlantica si addossa all'arco alpino causando un marcato peggioramento del tempo. Fig. 3 Profili di vento ed umidità derivanti dalle analisi di ECMWF (European Centre For Medium Range Weather Forecast). In ascissa gli intervalli temporali a partire dalle 00 UTC del 18 ottobre e fino alle 00 UTC del 23 ottobre; in ordinata le quote espresse in livelli di pressione, le barbe rappresentano intensità e direzione del vento, le isolinee in gradazione di verde l'umidità relativa. Si può notare come, dal 19 ottobre, si assista ad una rotazione dei venti dai quadranti meridionali ed al conseguente progressivo aumento dell'umidità a tutte le quote. Per analizzare le caratteristiche meteodiffusive del periodo in esame, ovvero le proprietà dell'atmosfera più direttamente legate alle sua capacità di disperdere o accumulare gli inquinanti, si considerino gli andamenti riportati in Fig. 4 dell'altezza di rimescolamento 1. Le serie fanno riferimento ai risultati prodotti operativamente su tutto il territorio regionale dalla componente meteorologica del sistema modellistico prognostico per la qualità dell'aria sviluppato ed utilizzato operativamente dal Dipartimento Sistemi Previsionali. 1 Con altezza di rimescolamento si intende l'altezza dello strato adiacente alla superficie terrestre all'interno del quale un composto, introdotto a livello del suolo, viene disperso verticalmente per turbolenza meccanica o convettiva e diluito a concentrazione uniforme (bassa). L'altezza di rimescolamento permette di quantificare le dimensioni della porzione di atmosfera interessata dai fenomeni turbolenti. Essendo legata alla radiazione solare presenta un marcato ciclo diurno, passando da minimi notturni ai valori massimi diurni nelle ore di maggiore insolazione, ed un marcato ciclo stagionale, con valori minimi (e quindi più critici per la dispersione) invernali e massimi estivi (più favorevoli alla dispersione).

5 Pagina 5 di 16 Fig.4 Andamenti orari dell'altezza di rimescolamento per il periodo ottobre prodotti dal sistema modellistico per la qualità dell'aria ed estratti su punti corrispondenti alle stazioni di monitoraggio del Sistema Regionale di Rilevamento della qualità dell'aria, dall'alto al basso: Torino - Lingotto, Alessandria - Volta, Cuneo - Alpini.

6 Pagina 6 di 16 Il periodo è stato caratterizzato su tutto il territorio regionale da condizioni di prevalente stabilità atmosferica, più marcata nella prima parte della giornata ed alla sera sui settori di pianura centroorientali nelle giornata di venerdì 18 e sabato 19 ottobre (presenza di foschie e locali banchi di nebbia); i valori dell'altezza di rimescolamento sono comunque nella norma per il periodo autunnale. Gli andamenti relativi alla città di Torino sono più elevati e sembrano influenzati dalla presenza dell'isola di calore urbana. L'analisi dei dati meteorologici misurati dalle stazioni automatiche della rete meteoidrografica di ARPA Piemonte, in particolare radiazione solare, umidità relativa e vento (un esempio relativo alla stazione di Alessandria è riportato in Fig. 5.), conferma quanto sopra esposto: fino al 18 ottobre si hanno condizioni tipicamente anticicloniche, con buon irraggiamento solare (per il periodo) e bassa umidità nelle ore centrali della giornata e foschie e nebbie nelle ore più fredde; da sabato 19 si assiste ad un graduale aumento dell'umidità e della copertura nuvolosa. I venti al suolo si mantengono per tutto il periodo calmi o molto deboli.

7 Pagina 7 di 16 Fig. 5 Andamenti orari della velocità del vento (in basso), dell'umidità relativa (in alto) e della radiazione solare (in centro) misurati dalla rete meteoidrografica nella stazione di Alessandria - Lobbi. Analisi dell'evento di qualità dell'aria Nelle successive Tab 1. e Tab 2. sono riportati i valori di concentrazione giornaliera rispettivamente di PM10 e PM2.5 misurati dalle stazioni della rete regionale (campionatori gravimetrici) per il periodo ottobre Le tabelle mostrano, specie nei giorni 19 e 20 ottobre 2013 (sabato e domenica), sulla maggior parte del territorio piemontese ad esclusione dell ambito montano, anomali superamenti del valore limite giornaliero di PM10 (50 µg/m 3 ), oltre che valori elevati anomali di concentrazione di PM2.5.

8 Pagina 8 di 16 Tab.1 Valori di concentrazione giornaliera di PM10 misurati dai campionatori gravimetrici delle stazioni della rete regionale nei giorni ottobre In rosso sono indicati i superamenti del valore limite giornaliero di 50 µg/m 3 Tab.2 Valori di concentrazione giornaliera di PM2.5 misurati dai campionatori gravimetrici delle stazioni della rete regionale nei giorni ottobre 2013.(la norma non individua il valore limite giornaliero)

9 Pagina 9 di 16 Nel grafico in Fig. 6 sono invece riportati i valori medi di concentrazione giornaliera calcolati con tutte le stazioni, eccetto quelle in quota, nelle quali sono presenti PM10 e PM2.5 (campionatori gravimetrici e beta giornalieri). µ Fig.6 Andamento dei valori medi di concentrazione delle frazioni Coarse e Fine per il periodo dal 14 al 30 ottobre La media è fatta su tutte le stazioni nelle quali sono presenti PM10 e PM2.5, eccetto le stazioni in quota.

10 Pagina 10 di 16 µ Fig. 6a Andamento dei valori medi di concentrazione delle frazioni Coarse e Fine per il periodo dal 14 al 30 ottobre La media è calcolata su tutte le stazioni nelle quali sono presenti PM10 e PM2.5, eccetto le stazioni in quota. Nel grafico 6a, costruito sulle frazioni dimensionali di particolato denominabili Coarse o grossolana (comprese tra 2.5 micron e 10 micron) e Fine (compresa tra 0 micron e 2.5 micron ovvero equivalente al PM2.5), evidenzia nei giorni dell evento un forte incremento della frazione Fine rispetto a quella grossolana nella quasi totalità delle stazioni; solo poche stazioni, molto probabilmente per cause locali, non hanno evidenziato tale andamento. Questa situazione è confermata anche dall'analisi dei risultati prodotti da due differenti metodi di indagine a disposizione dell'agenzia. Il primo è uno strumento, di recente introduzione sul mercato europeo: un contaparticelle UFP Monitor 3031 TSI Inc. in grado di misurare in continuo la distribuzione (in numero per m 3 ) della dimensione delle particelle su sei classi dimensionali (20-30 nm, nm, nm, nm, nm, oltre 200 nm ma inferiori a 1 micron). Lo strumento, gestito dal Dipartimento di Torino, è installato nella stazione di fondo urbano di Torino Lingotto. Nella Fig. 7 il grafico mostra come nei giorni di sabato 19 e domenica 20 ottobre, si assiste ad un incremento della frazione più grande delle particelle ultrafini (indicate in figura con CP>0.2) ed ad una contemporanea discesa di quelle di minore diametro. Questo è avvenuto verosimilmente a causa di un fenomeno di aggregazione delle particelle di minore diametro in particelle di maggiore diametro.

11 Pagina 11 di 16 Fig.7 Distribuzione del numero di particelle fini in funzione del diametro per il mese di ottobre Dati misurati dal contaparticelle UFP installato in Torino. Il secondo strumento è il sistema modellistico prognostico per la qualità dell'aria sviluppato ed utilizzato operativamente dal Dipartimento Sistemi Previsionali. Il cuore del sistema è costituito da FARM, il modello euleriano fotochimico di qualità dell'aria 2. Il modello utilizza sia un modulo chimico per il trattamento degli inquinanti in fase gassosa, che consente sia il trattamento della chimica atmosferica e la simulazione dei processi fotochimici che portano alla formazione di ozono e aerosol secondario organico, sia un apposito modulo per il particolato atmosferico. Nello specifico il modulo per il particolato adotta un approccio modale, in cui la distribuzione dimensionale delle particelle di aerosol è rappresentata come sovrapposizione di tre distribuzioni lognormali (rispettivamente relative alla particelle ultrafini, fini e grossolane) e permette di considerare le interazioni tra fase gassosa e particolato (nella componente costituita principalmente da ioni solfato, ammonio e nitrato), nonché i processi dinamici di nucleazione, condensazione e coagulazione delle particelle. 2 F.A.R.M, Flexible Air quality Regional Model, sviluppato originariamente da Arianet S.r.l. Il modello, censito nel Model Documentation Systema ( dell'agenzia Europea per l'ambiente è il modello più utilizzato nel panorama nazionale ed uno dei più utilizzati in quello internazionale. Alla base, tra gli altri, del sistema nazionale MINNI (Modello Integrato Nazionale a supporto della Negoziazione internazionale sui temi dell'inquinamento atmosferico, sviluppato da ENEA per conto del Ministero dell'ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare.

12 Pagina 12 di 16 A partire dalle simulazioni operative prodotte nel periodo in esame (relative alle prime 24 ore di simulazione per ciascun giorno), sono state estratte dal dominio di simulazione le serie degli inquinanti per i giorni ottobre nei punti del territorio corrispondenti alle stazioni di monitoraggio di qualità dell'aria. In particolare si sono analizzati gli andamenti delle concentrazioni orarie del particolato PM2.5, della sua componente primaria, ovvero quella emessa in atmosfera dalle sorgenti antropiche ad esempio il traffico veicolare o naturali, e della sua componente secondaria, ovvero di quella che si forma in atmosfera a seguito di reazioni chimiche tra i precursori e processi chimico fisici tra le particelle. Nelle Fig. 8 (in termini di concentrazione) e Fig. 9 (in termini di rapporto percentuale) sono riportati i risultati ottenuti come media dei valori su tutti i punti stazioni considerati. Si nota chiaramente come, a partire dal pomeriggio di venerdì 18 e fino a tutta la giornata di domenica 20 ottobre, si abbia un notevole incremento della componente secondaria (in rosso) del particolato PM2.5, mentre la componente primaria (in blu) rimane pressoché invariata, riproducendo più che altro il ciclo emissivo settimanale (con un minimo la domenica). Fig. 8 Elaborazioni modellistiche operative di qualità dell'aria: andamento (espresso in concentrazione) medio della frazione primaria (in blu) e secondaria (in rosso) del particolato PM2.5 per il periodo in esame. La media è fatta sui dati estratti dai campi di concentrazione sulle coordinate delle stazioni di qualità dell'aria. I dati sono l'unione delle prime 24 ore di simulazione delle corse operative dal 17 al 23 ottobre.

13 Pagina 13 di 16 Fig. 9 Elaborazioni modellistiche operative di qualità dell'aria: andamento (espresso in percentuale) medio della frazione primaria (in blu) e secondaria (in rosso) del particolato PM2.5 per il periodo in esame. La media è fatta sui dati estratti dai campi di concentrazione sulle coordinate delle stazioni di qualità dell'aria. I dati sono l'unione delle prime 24 ore di simulazione delle corse operative dal 17 al 23 ottobre

14 Pagina 14 di 16 Conclusioni L'analisi dei dati a disposizione (misure di qualità dell'aria, simulazioni modellistiche di qualità dell'aria, dati meteorologici di analisi a scala sinottica ed a scala locale) consente di affermare che l'evento di inquinamento da particolato di sabato 19 e domenica 20 ottobre 2013 è stato causato da un'intensa attività reattiva dell'atmosfera che ha favorito la formazione di particolato secondario con aggregazione delle particelle ultrafini in particelle di diametro maggiore (fino alla frazione caratteristica del PM2.5). I processi fotochimici sono stati innescati dalle condizioni meteorologiche e micrometeorologiche che hanno interessato il Piemonte a partire da giovedì 17 ottobre: stabilità atmosferica (comunque nella norma per il periodo) associata alla presenza di un promontorio anticiclonico sul Mediterraneo occidentale, con buone condizioni di irraggiamento e ventosità bassa o assente, seguita da un progressivo e marcato aumento dell'umidità al suolo ed in quota. Sembrano invece da escludere fenomeni di trasporto di particolato su grande scala dovuti ad eventi quali sabbie sahariane. La componente del particolato prevalente nelle sabbie sahariane non si trova nella frazione Fine, ovvero nel PM2.5, la cui concentrazione è aumentata nel periodo in esame, ma bensì in quella più grossolana, Coarse, rimasta praticamente invariata. Inoltre l'analisi delle immagini del satellite MSG (Meteosat Second Generation), acquisite operativamente dal Dipartimento Sistemi Previsionali, non sembra evidenziare la presenza nei giorni centrali dell'evento di significativi fenomeni di trasporto sahariano. In Fig. 10 sono riportate le immagini satellitari relative ad una particolare combinazione nei canali dell'infrarosso che permette di visualizzare (in magenta se presenti) le sabbie sahariane. Infine la configurazione meteorologica a scala sinottica in precedenza descritta e le backward trajectories elaborate dal modello HYSPLIT 3 riportate in Fig.11 non sembrano compatibili con fenomeni di sabbie sahariane in Piemonte. 3 HYSPLIT - Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model sviluppato e messo a disposizione da ARL (Air Resource Laboratory) dell'organizzazione federale statunitense NOAA (National Oceanic and Atmospheric Department)

15 Pagina 15 di 16 Fig. 10 Immagini MSG IR True Color relative alle ore 15 UTC del 19 (a sinistra) e 20 ottobre La presenza di polveri sahariane dovrebbe essere evidenziata dalla colorazione magenta riportata sotto le immagini.

16 Pagina 16 di 16 Fig. 11 Backward trajectories per il 19 ottobre 2013 ore 15 UTC calcolate dal modello HYSPLIT ipotizzando un punto recettore prossimo a Torino (45 latitudine nord, 7.5 longitudine est) a tre diverse quote sul livello del suolo (1500, 500, 300 m). Al fine di ottenere ulteriore conferma di quanto sopra esposto sull evento ARPA Piemonte ha in corso approfondimenti sull argomento attraverso l analisi chimica dei campioni di particolato prelevati da strumenti di campionamento del particolato. È in corso la speciazione chimica dei campioni in modo da verificare la composizione del particolato riscontrato nei giorni 19 e 20 di ottobre al fine di confermare la natura prevalentemente secondaria del particolato durante l evento.