Progetto NINFA-Extended Northern Italy Network to Forecast Aerosol and photochemical pollution Extended

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1 Progetto NINFA-Extended Northern Italy Network to Forecast Aerosol and photochemical pollution Extended Sistema integrato a supporto della valutazione e gestione della qualità dell aria in Regione Emilia-Romagna Rapporto finale Giugno 2011

2 Regione Emilia-Romagna Direzione Ambiente e Difesa del Suolo e della Costa Servizio Risanamento Atmosferico, Acustico, Elettromagnetico Responsabile del Servizio: Eugenio Lanzi ARPA Emilia-Romagna Sezione Provinciale di Parma - Centro Tematico Regionale Aria Servizio Idro-Meteo-Clima - area Meteorologia Ambientale, Marina e Oceanografica Responsabile del Progetto: Eriberto De Munari (ARPA CTR Aria) Responsabile WP1 Emissioni e scenari emissivi: Marco Deserti (ARPA-SIMC) Responsabile WP2 Modelli di valutazione e previsione: Marco Deserti (ARPA-SIMC) Responsabile WP3 Costi riduzione emissioni Emilia-Romagna (CREER): Stefano Cattani (ARPA-SIMC) Rapporto a cura di: Giovanni Bonafè, Stefano Cattani, Eriberto De Munari, Marco Deserti, Enrico Minguzzi, Michele Stortini, Simonetta Tugnoli, Paolo Veronesi Hanno collaborato: Fabio Bordini, Simona Maccaferri, Davide Mazza, Veronica Rumberti

3 SOMMARIO Sommario... 4 Introduzione Obiettivi del progetto Inquadramento dell area: il Bacino Padano Adriatico BPA Il sistema integrato NINFA-E Il sistema NINFA Il modello CHIMERE I modelli ed i dataset meteorologici Gli inventari emissivi ed il modulo efesto per la spazializzazione delle emissioni Le condizioni al contorno, iniziali e le variabili fisiografiche Il modulo geostatistico PESCO Il modulo Costi Riduzione Emissioni Emilia-Romagna Il modello sorgente recettore Il modello decisionale La stima della concentrazione di PM25 con l ausilio di dati da satellite (AS2PM) Il sistema informatico L acceso ai dati ed ai servizi di NINFA-E Il nuovo portale web sulla qualità dell aria La nuova struttura di archiviazione dati L inventario regionale delle emissioni Applicazioni di NINFA-E: analisi, valutazioni e proiezioni future della qualità dell aria Valutazione annuale della qualità dell aria a dettaglio locale Valutazione della variabilità interannuale della qualità dell aria Analisi della componente meteorologica Gli scenario emissivi Scenario emissivo base (2007) Scenari emissivi al La qualità dell aria nel caso base (2007) La verifica dei risultati del caso base: La qualità dell aria negli scenari futuri (2020) Scenario tendenziale Scenario programmatico Scelta delle politiche ottime Il database delle tecnologie I modelli sorgente-recettore La soluzione del problema multi-obiettivo per il PM Le emissioni, i costi, le concentrazioni di PM Conclusioni Glossario Fonti di informazioni e bibliografiche Elenco degli allegati

4 Sommario Il progetto NINFA-Extended ( ) ha permesso di perfezionare ed ampliare il complesso di strumenti e dati a disposizione della regione Emilia-Romagna per lo svolgimento dei propri compiti istituzionali nel campo della valutazione e gestione della qualità dell aria. Sono stati inoltre ampliati i servizi di informazione al cittadino ed i dati resi disponibili agli enti locali. Questi servizi e dati consentono di eseguire quotidianamente la valutazione e previsione della qualità dell aria e di analizzare le condizioni meteorologiche che influenzano l inquinamento atmosferico. È stato inoltre aggiornato e reso disponibile al pubblico ed alle istituzioni l inventario delle fonti di inquinamento, ora accessibile mediante una apposita interfaccia web che ne consente l interrogazione personalizzata. Il sistema NINFA-E è composto da una complessa catena di modelli, implementata fin dal 2005, che comprende un modello chimico di trasporto e dispersione (CHIMERE), il modello meteorologico (COSMO) e dati di emissione e di condizioni al contorno. Nel corso del progetto il sistema è stato reso più dettagliato aumentando la risoluzione spaziale (da 10 a 5 km di risoluzione) ed aggiornando il codice di calcolo dei modelli chimico e meteorologico. Sono state inoltre sviluppate nuovi programmi di interfaccia par la gestione dei dati di emissione, organizzati ed elaborati attraverso il software INEMAR. Particolare attenzione è stata dedicata allo sviluppo del modulo di post elaborazione PESCO che permette di combinare i dati osservati dalla rete di rilevamento con le analisi modellistiche, riducendo l errore del modello e portando la risoluzione orizzontale della valutazione annuale e quotidiana di PM10, PM2.5, NO2, Ozono e indice di qualità dell aria sul territorio regionale a 1 km di risoluzione. Lo strumento permette di valutare l inquinamento di fondo (parchi, aree pedonali, aree rurali) ovvero la concentrazione di inquinanti nell aria lontano dalle fonti di immissione. Il WP3 del progetto ha infine consentito di implementare un prototipo di sistema di supporto alle decisioni composto da un modello sorgente-recettore (S/R) che descrive il legame non lineare tra emissioni e concentrazioni di inquinanti secondari attraverso reti neurali e da un algoritmo di ottimizzazione per la definizione del set ottimale di azioni per il raggiungimento di un determinato obiettivo di qualità dell aria. Nel corso del progetto questi strumenti sono stati applicati per realizzare analisi, valutazioni e proiezioni degli effetti delle politiche sulla qualità dell aria nel futuro. Le valutazioni della qualità dell aria di dettaglio regionale per gli anni 2009 e 2010 mostrano come l inquinamento di fondo in Emilia-Romagna per gli inquinanti NO2, PM10, PM2.5 e ozono nel 2010 sia stato complessivamente inferiore al Restano tuttavia superiori al limite di 35 superamenti annui della media giornaliera di PM10 tutte le aree più popolose della regione mentre le medie annue sono state quasi ovunque inferiori al limite sia per PM10 che per NO2. Tutto il territorio regionale resta superiore al limite per l ozono. La concentrazione di inquinanti nell aria varia in dipendenza dai cambiamenti delle condizioni meteorologiche e/o dalle variazioni delle sorgenti di emissione. Gli strumenti di NINFA-E permettono di analizzare la variabilità interannuale separando la componente meteorologica dalla componente emissiva. A questo scopo sono stati elaborati e vengono calcolati ogni anno specifici indicatori meteorologici. La rappresentazione cartografica di questi indicatori annuali permette di individuare le zone della regione che ogni hanno presentano le maggiori criticità dal punto di vista della dispersione degli inquinanti. Ad esempio nel 2010 l area pedecollinare e di pianura compresa tra Parma e Bologna è stata caratterizzata da bassi valori dell indice di ventosità e dell altezza di rimescolamento, questa area ha presentato anche le maggiori criticità per l inquinamento atmosferico. Viene inoltre analizzata la variazione mensile dei vari indici, permettendo di confrontare l andamento mensile di ciascun anno con il periodo di riferimento pluriennale per le principali aree urbane. Questa analisi mostra ad esempio come a Bologna il numero di giorni favorevoli all accumulo di PM10 nel 2010 sia stato all interno dell intervallo di variabilità del precedente periodo , ad esclusione dei mesi di febbraio e dicembre. Anche il numero di giorni favorevoli alla formazione di ozono è risultato nel 2010 all interno dell intervallo di variabilità, ma con un numero di giorni complessivamente inferiori alla mediana di riferimento. Uno degli obiettivi principali del progetto è stato di valutare come potrebbe evolvere la qualità dell aria nei prossimi anni in seguito alla riduzione delle emissioni indotte dalla applicazione della normativa europea e pianificate dalla Regione (ad es. il passaggio progressivo a veicoli euro5 e l applicazione del piano regionale dei trasporti). Poiché l inquinamento atmosferico della nostra regione è fortemente influenzato dalle condizioni generali della pianura padana, tulle le valutazioni sono state condotte a scala dell intero nord Italia e considerando l apporto di inquinanti provenienti dalle altre regioni europee. I dati di emissioni utilizzati per la 4

5 regione Emilia-Romagna sono stati ricavati dall inventario regionale, aggiornato all anno 2007 nell ambito del WP1 del progetto. I risultati confermano come il macrosettore dei trasporti abbia un peso significativo e rilevante rispetto agli altri macrosettori solo per le emissioni di NOx, con una percentuale di circa il 60%; nel caso del PM10, la distribuzione percentuale delle emissioni mostra come ci sia una quasi parità di distribuzione tra il settore dei trasporti (30%), le attività produttive (28%) e il riscaldamento residenziale (28%). Il modello è stato accuratamente verificato con i dati osservati dalle stazioni al suolo. Oltre ai dati puntuali delle stazioni, allo scopo di verificare la distribuzione degli inquinanti alla superficie, è stata utilizzata per la primina volta in forma sperimentale una nuova tecnica che utilizza dati rilevati da satellite. Le verifiche hanno evidenziato una sottostima del PM10 che è stata corretta con appositi algoritmi di post-processing, messi a punto nell ambito del progetto. Per confrontare tra loro le valutazioni di diversi scenari emissivi al netto degli effetti meteorologici è stato individuato un anno meteorologico di riferimento. Per individuare l anno meteorologico più rappresentativo sono stati utilizzati i risultati della valutazione modellistica della variabilità interannuale in presenza di emissioni costanti nel periodo Questi risultati hanno permesso di quantificare la variabilità della concentrazione dei principali inquinanti dovuta a fattori meteorologici che risulta dell ordine del 20% per PM10, PM2.5 e NO2 nel periodo invernale e del 10% per l ozono (ad esclusione del 2003 durante il quale le condizioni meteorologiche hanno determinato i valori massimi di ozono del decennio). Nel triennio le condizioni meteorologiche hanno determinato una riduzione della concentrazione di inquinanti, che risultano le più basse del periodo Combinando queste valutazioni con l andamento pluriennale del numero di giorni critici per ozono e PM, si è scelto il 2007 come anno meteorologico di riferimento, anno per il quale le concentrazioni inquinanti son rimasti in tutti i mesi all interno della variabilità interannuale. Il sistema modellistico è stato infine applicato per valutare due scenari futuri di qualità dell aria: uno scenario tendenziale al 2020 che prevede la realizzazione delle infrastrutture pianificate dal piano regionale trasporti, la combustione di biomasse ad uso domestico con tecnologie attuali e l applicazione delle norme e delle tecnologie già approvate e consumi costanti nel tempo, ed uno scenario programmatico, che prevede la attuazione delle azioni di riduzione di flussi veicolari pianificate a livello regionale nel settore trasporti (PRIT) e la introduzione di tecnologie a minore emissione nella combustione di biomasse ad uso domestico. Lo scenario tendenziale porterebbe ad una riduzione delle emissioni regionali di NOx dell ordine del 40% e del 7% per il PM, mentre si avrebbe un leggero incremento delle emissioni di NH3 (+1%) che rappresenta un importante precursore della formazione di PM secondario. Lo scenario programmatico porterebbe ad una riduzione del 44% delle emissioni di NOx,mentre le emissioni di PM sarebbero ridotte del 21%. Gli scenari porterebbero inoltre ad una variazione nella distribuzione spaziale delle emissioni conseguenti agli interventi sulla rete viaria ed alla diversa distribuzione dei combustori di biomasse. I risultati della valutazione dello scenario tendenziale al 2020 mostrano consistenti riduzioni della concentrazione di NO2 e PM10 in prossimità delle principali direttrici di traffico ed in particolare sull asse viario-urbano della via Emilia, con riduzioni della media annuale di NO2 comprese tra 12 e 18 μg/m 3 ( %). La media annuale del PM10 sarebbe ridotta di una frazione compresa tra il 15% ed il 30% in dipendenza dalla distribuzione spaziale dei sistemi di combustione delle biomasse. L ozono risulterebbe diminuito al di fuori delle aree urbane e lontano dalle direttrici di traffico, dove si avrebbe una riduzione del 30-40% del numero di superamenti del valore bersaglio per la protezione della salute umana, che resterebbe tuttavia superiore al limite in gran parte della regione. Lo scenario programmatico porterebbe ad ulteriori riduzioni della concentrazione media invernale di NO2 di 1-2 μg/m 3 lungo la zona centrale della via Emilia. I benefici maggiori dello scenario programmatico si avrebbero sulla concentrazione di PM con ulteriori riduzioni della concentrazione media annuale comprese tra il 4-6% e l 8-10% in Romagna dove il miglioramento dei sistemi di combustione di biomassa porterebbe alle maggiori riduzioni. La implementazione del modulo di supporto alle decisioni CREER ha visto la realizzazione di un database delle tecnologie che possono essere applicate per l abbattimento delle emissioni inquinanti e di un modello sorgente-recettore per l Emilia-Romagna che permette di stimare con tempi di calcolo molto ridotti la relazione tra variazioni di emissione e concentrazione in aria. La prima applicazione dimostrativa del modulo di ottimizzazione scegliendo come indicatore di qualità dell aria la concentrazione media regionale di PM10 per il bimestre invernale gennaio-febbraio, individua il costo massimo delle politiche di controllo realizzabili applicando tutte le tecnologie disponibili (circa 170 milioni di Euro). L ottimizzazione delle politiche 5

6 consentirebbe tuttavia di ottenere un risultato sostanzialmente analogo con un costo sensibilmente ridotto (circa 50 milioni di Euro nella simulazione effettuata). 6

7 Introduzione La qualità dell aria nel nostro Paese continua a essere un emergenza ambientale che riguarda la salute di tutti i cittadini e impegna gli amministratori locali e centrali soprattutto nell attuazione di efficaci misure di risanamento. La criticità riguarda in particolar modo le grandi aree urbane, dove è massima l antropizzazione del territorio e dove è più elevata l esposizione della popolazione agli inquinanti atmosferici, sebbene valori analoghi siano facilmente rilevabili anche nelle aree extraurbane grazie alla presenza predominante di inquinanti secondari sul territorio regionale. Nonostante quindi l indubbio miglioramento della qualità dell aria (l SO2, il CO, il benzene e il piombo non costituiscono attualmente un pericolo per la salute umana sul territorio della Regione Emilia-Romagna), avvenuto nel corso delle ultime decadi, il particolato (PM10), l ozono (O3) e il biossido di azoto (NO2) pur mostrando segnali di riduzione, continuano a essere un problema sebbene non solo in regione. Nella normativa italiana la consapevolezza della necessità di preservare la qualità dell aria che respiriamo inizia nel 1966 lontano con l emanazione della legge n. 615 denominata Antismog che, con le successive norme di attuazione, sancisce come questa sia un bene comune corruttibile e, quindi, da tutelare. Una svolta decisiva avviene quindi all atto della pubblicazione del D.P.C.M. 28/3/1983, che non considera più esclusivamente gli effetti dell inquinamento derivante dalle emissioni puntuali a livello locale ma introduce limiti di accettabilità e limiti massimi di esposizione, detti standard di qualità, per otto sostanze inquinanti, al fine della protezione della popolazione. Tale svolta è quindi ulteriormente consolidata con l emanazione del D.P.R. 203/88, che contiene indicazioni rimaste attuali sino ad una decina di anni fa quando, con Direttiva n 62 del 27/09/1996 Direttiva in materia di valutazione e di gestione della qualità dell'aria ambiente si avvia l ultima rivoluzione in materia, sancendo a livello europeo la necessità non solo di tutelare l aria che respiriamo, bensì di risanarla al fine di eliminare la presenza di inquinanti tali da influire sulla salute umana ed anche, ulteriore innovazione, sulla vegetazione e l ambiente. L Italia recepisce queste indicazioni a partire dal 1999 con il D.Lgs. n. 351 del 04/08/1999. Nel 2004 grazie alla Direttiva del Parlamento Europeo n. 107, concernente arsenico, cadmio, mercurio, nickel e idrocarburi policiclici aromatici nell aria ambiente, non ancora recepita dallo Stato Italiano, si completa il processo di normazione degli inquinanti da misurare e dei loro limiti a livello europeo, recepito parzialmente anche in Italia grazie al D.M. n. 60/02 e al D.Lgs 183/04, che porta a compimento l ultima delle rivoluzioni in materia. Di rivoluzione infatti si tratta, in quanto se, fino a questo momento, si era parlato esclusivamente di misura della qualità dell aria, ora si parla invece di valutazione, all interno delle cui procedure si devono utilizzare tutte quelle metodiche atte garantire la conoscenza dello stato della matrice aria sull intero territorio. Si devono quindi utilizzare, oltre alle stazioni di misura fisse, anche i mezzi mobili, le stime, i modelli, e tutte quelle misure chimico-fisiche che possano integrarsi nel sistema per realizzare la gestione della qualità dell aria. Tutelare la matrice aria non è più quindi la semplice formalizzazione del superamento di determinati limiti, ma la misura intesa come strumento di valutazione in base alla quale è necessario valutare trend di miglioramento o peggioramento derivanti dall attuazione di programmi e piani specifici di risanamento e tutela della qualità dell aria. Di conseguenza va rivisto l intero approccio alla valutazione della qualità dell aria considerando gli strumenti a disposizione come un sistema integrato che consenta un ampliamento delle tecniche di valutazione, perché non solo più di misura bisogna parlare ma anche di modelli, di stime emissive, ma anche lo sviluppo di tecniche complementari alle classiche mediante l utilizzo di metodiche innovative che possono giungere fin anche al telerilevamento e all utilizzo di satelliti. Da questo si percepisce come siano cambiate le metodologie con cui si è affrontata la tutela della qualità dell aria dagli albori ad oggi. Agli inizi il problema era acquisire conoscenze e competenze sulle modalità di misura degli inquinanti e sulla loro concentrazione, ma nel contempo era probabilmente più semplice individuare le cause dell inquinamento; oggigiorno la competenza tecnica raggiunta nella misura degli 7

8 inquinanti è sicuramente eccellente ma questo non basta ad intervenire con la stessa efficacia proprio per le vaste aree interessate dall inquinamento, all interno delle quali è sempre più difficile separare e agire sui contributi delle varie fonti. Sono necessarie metodiche di valutazione che consentano l analisi di vaste aree di territorio, che consentono la valutazione degli interventi di risanamento e tutela attuati, la modellistica e il tele rilevamento, consentono proprio l estensione delle valutazioni puntuali ottenute dalla misura in senso classico, all intero territorio in esame adempiendo a quanto richiesto dalla normativa Il 30 settembre 2010 è entrato in vigore il D.Lgs. n. 155 del 13 agosto 2010 di attuazione della Direttiva 2008/50/CE relativa alla qualità dell aria ambiente e per un aria più pulita in Europa. Il decreto, con l obiettivo di istituire un quadro normativo unitario in materia di valutazione e gestione della qualità dell aria, sostituisce anche le disposizioni di attuazione della Direttiva 2004/107/CE. Uno dei principali obiettivi che si intende perseguire con l attuazione del D.Lgs. 155/2010 è quello di raggiungere un maggior livello di efficienza, omogeneità e confrontabilità nella valutazione e gestione della qualità dell aria sul territorio nazionale mediante l utilizzo non solo delle tecniche di misura tradizionali ma anche con la messa a regime di sistemi modellistici integrati che consentano la valutazione dei fenomeni alle varie scale di riferimento, locale, regionale, nazionale. Ecco quindi che alle misure tradizionali si affiancano valutazioni su specifiche classi di composti che possano farci comprendere meglio i complessi fenomeni di interazione degli inquinanti secondari che oggigiorno rappresentano il problema principale su cui insistere. (PM10, PM2.5, O3, NOx), alcuni esempi sono: - speciazione chimica del particolato atmosferico, per meglio comprendere l origine e la tossicità dell inquinante; - valutazione dei livelli dei precursori dell ozono, per combattere l inquinamento da ozono; - valutazione di contributi provenienti da fonti naturali - sviluppo di tecniche modellistiche che, accanto alle misurazioni analitiche delle concentrazioni di inquinanti, possano svolgere un ruolo importante sia nella programmazione di efficaci misure di risanamento, sia nella caratterizzazione di tutto il territorio rispetto alla qualità dell aria; - realizzazione di un sistema unico di comunicazione delle informazioni dal livello locale a quello nazionale ed europeo basato sull utilizzo delle più moderne tecnologie informatiche. Ecco quindi che la stessa normativa ci indica la strada da perseguire praticando un approccio integrato alla valutazione e gestione della qualità dell aria, basato sui tre strumenti fondamentali: la rete di monitoraggio (RMQA), l inventario delle emissioni in atmosfera (IE) ed i modelli chimici di trasporto e diffusione degli inquinanti (CTM). ARPA Emilia-Romagna ha intrapreso fin dal 1995 un approccio integrato attraverso il progressivo sviluppo di strumenti di monitoraggio, valutazione e gestione che, prendendo l avvio da progetti di ricerca e sviluppo, hanno portato al progressivo consolidamento e introduzione nella pratica quotidiana dei nuovi strumenti resi via via disponibili dalla ricerca scientifica e tecnologica. I nuovi strumenti vanno dalla strumentazione per il monitoraggio degli inquinanti in aria, fino ai dati satellitari, dai semplici modelli gaussiani ai modelli lagrangiani ed euleriani tridimensionali, fino ai più complessi modelli fotochimici multiscala. In questo rapporto vengono presentati i risultati ottenuti nell ambito del Progetto di sviluppo di uno strumento di valutazione integrata a supporto della gestione delle politiche per la qualità dell aria della Regione Emilia- Romagna e a supporto delle attività previste dall accordo con il Ministero dell Ambiente per la valutazione e gestione della qualità dell aria (progetto NINFA-Extended) affidato ad ARPA dalla Regione Emilia-Romagna. Il progetto Ninfa-E oltre a recepire quanto previsto dalla normativa ed a integrare tutto in uno strumento che consenta un utilizzo interconnesso di quanto sino ad oggi disponibile avvia anche un primo passo nella direzione di ulteriori innovazioni. Ninfa-E affronta infatti anche la definizione di una metodologia, pensata per aiutare i comuni, le province e le regioni nella pianificazione delle politiche di risanamento della qualità dell aria. E uno strumento che aiuterà la scelta delle tecnologie più adatte alla riduzione delle emissioni in atmosfera, con un occhio attento al contenimento e alla ottimizzazione dei costi degli interventi necessari. E un primo ulteriore elemento di innovazione che consente alle amministrazioni di valutare con oggettività la situazione, valutare le necessità finanziarie per la risoluzione del problema dell inquinamento atmosferico e spenderle al meglio. Scegliere bene per spendere meno e ottenere di più, non è un obiettivo da poco soprattutto in questo periodo ma è 8

9 sicuramente la strada migliore per risolvere il problema. Si possono seguire due strategie: cercare di massimizzare i benefici ambientali, una volta fissati i costi sostenibili o, viceversa, minimizzare i costi dopo aver individuato i benefici ambientali che si vogliono ottenere. Il software è uno strumento decisionale: propone un ventaglio di soluzioni tecnologiche possibili che, correttamente armonizzate e implementate, possono ridurre l inquinamento. Quadro di riferimento normativo Normativa Regionale Delib. Giunta Reg. nº 43 del 12/01/2004 (pdf, kb). Aggiornamento delle Linee di indirizzo per l espletamento delle funzioni degli Enti locali in materia di inquinamento atmosferico (artt. 121 e 122, L.R. 3/99) gia emanate con atto di Giunta regionale 804/01 Delib. Giunta Reg. nº 804 del 15/05/2001 (pdf, 572 kb). Approvazione linee di indirizzo per l espletamento delle funzioni degli Enti locali in materia di inquinamento atmosferico di cui agli artt. 121 e 122 della L.R. 21 aprile 1999, n. 3 Riforma del sistema regionale e locale. Normativa Nazionale D. Lgs. nº155 del 13/08/2010. Attuazione della Direttiva 2008/50/CE relativa alla qualità dell aria ambiente e per un aria più pulita in Europa. Normativa Comunitaria Direttiva 2008/50/CE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 21/05/2008. Direttiva del Parlamento europeo e del Consiglio, del 21 maggio 2008, relativa alla qualità dell aria ambiente e per unaria più pulita in Europa. 9

10 1.1 Obiettivi del progetto La Regione Emilia-Romagna, in collaborazione con Arpa, ha da tempo avviato un processo di sviluppo, secondo lo schema D.P.S.I.R., degli strumenti a supporto della gestione della qualità dell aria previsti dal DM 261/02 Regolamento recante le direttive tecniche per la valutazione preliminare della qualità dell aria ambiente, i criteri per l elaborazione del piano e dei programmi di cui agli articoli 8 e 9 del decreto legislativo 4 agosto 1999, n. 351, finanziando, oltre ad una sostanziale ristrutturazione della rete regionale di misura automatica, lo sviluppo del modello di valutazione della qualità dell aria NINFA e l inventario delle emissioni in atmosfera attraverso il sofware INEMAR. Nel contempo in data 7 maggio 2008 la Regione Emilia-Romagna ha firmato con il Ministero dell Ambiente un accordo ai sensi del DM 16 ottobre 2006 al fine di accedere al Programma di finanziamenti per le esigenze di tutela ambientale connesse al miglioramento della qualità dell aria e alla riduzione delle emissioni di materiale articolato in atmosfera nei centri urbani.. Al fine di supportare queste attività, come da richiesta della Regione Emilia-Romagna lettera prot. N. PG/2008/ del 09 giugno 2008 Arpa ha quindi predisposto il presente progetto. Lo strumento di valutazione proposto è stato quindi sviluppato considerando i seguenti obiettivi principali: OBIETTIVO 1: estendere e completare la capacità della Regione Emilia-Romagna di svolgere i propri compiti istituzionali in materia di gestione della qualità dell aria (secondo quanto previsto dalla normativa nazionale vigente in materia: D.Lgs. 351/99, DM 261/02), con particolare riferimento alla preparazione, valutazione e revisione di piani di miglioramento della qualità dell aria in un ottica di bacino padano integrando i singoli piani provinciali in un unico piano regionale. OBIETTIVO 2: Garantire alla Regione Emilia-Romagna di disporre di strumenti di valutazione interni da utilizzare nella definizione degli interventi prioritari e nella negoziazione di finanziamenti strategici per la tutela della qualità dell aria da concordare con il governo e le regioni confinanti. OBIETTIVO 3: Supportare la Regione Emilia-Romagna in relazione agli impegni assunti con il Ministero in sede di sottoscrizione dell accordo ai sensi del DM 16 ottobre 2006, per la durata dell intero progetto. 10

11 1.2 Inquadramento dell area: il Bacino Padano Adriatico BPA La Pianura Padana è costituita da una vallata alluvionale delimitata a nord e ad ovest dalle Alpi a sud dagli Appennini ed a est dal mare Adriatico (Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.). La pianura si estende per circa 400 km da ovest verso est, mentre la massima ampiezza nei pressi della costa adriatica è di circa 200 km. L altezza media sul mare della parte pianeggiante varia dal livello del mare, nei pressi di Ravenna, a circa 500 m nei pressi di Torino. Le zone montuose sono caratterizzate da molte piccole valli che sfociano nella pianura. L elevazione media della catena alpina è di circa 3000 m, con la massima elevazione nel settore occidentale (monte Bianco, 4810 m) e la massima larghezza tra Verona e Monaco di Baviera. La catena Appenninica nel tratto settentrionale presenta una elevazione media di circa 1000 m, con la massima quota di Monte Cimone (2165 m s.l.m.) nel tratto Tosco-Emiliano. La Regione Emilia-Romagna occupa la porzione sud orientale della Pianura Padana. Figura Immagine da satellite del Nord Italia dalla quale risulta evidente l orografia della pianura padana Sul territorio risiede circa il 40% del totale della popolazione italiana; considerando infatti come riferimento le Regioni Valle d Aosta, Piemonte, Lombardia, Veneto, Trentino Alto Adige, Friuli Venezia Giulia ed Emilia- Romagna, la popolazione del Bacino supera i 25 milioni di abitanti, distribuiti prevalentemente nelle aree di pianura e nei fondovalle, dove pertanto la densità abitativa risulta essere elevata. Una tale concentrazione di popolazione si riflette in una considerevole presenza di impianti di riscaldamento nonché di traffico veicolare. Rilevante è la forte antropizzazione e industrializzazione dell area; la realtà produttiva, basata soprattutto su piccole e medie imprese, con conseguente necessità di mobilità, da un lato contribuisce in maniera significativa alla produzione di ricchezza del Paese (oltre il 50% del PIL nazionale), dall altro è fonte di emissioni derivanti da attività di produzione industriale e dal trasporto stradale ad essa correlato. La Regione Emilia-Romagna è punto centrale del sistema di mobilità nazionale, dato il sistema viario, ferroviario e marittimo-idroviario presente. La metà del territorio del bacino presenta suoli pianeggianti, estremamente fertili che sono pertanto soggetti ad attività agricole, che portando alla formazione di ammoniaca, contribuiscono alla formazione di inquinanti secondari. Altra attività produttiva tradizionale dell area è l allevamento, anch esso fonte di ammoniaca e conseguentemente di inquinanti secondari. Il quadro socio-economico sopra descritto comporta un elevata concentrazione di fonti di emissioni di inquinanti, per l intensità delle attività antropiche che insistono nell area. La situazione è ulteriormente aggravata dalla sua conformazione morfologica nonché dalle condizioni meteorologiche. Le Alpi e gli Appennini limitano spesso le correnti d aria fra l Italia del Nord ed il resto dell Europa continentale. In queste condizioni l inquinamento atmosferico ha come concausa la stagnazione dell aria all interno del bacino che, in queste particolari condizioni, richiede più giorni per consentire la dispersione degli inquinanti immessi, 11

12 favorendo in tal modo le trasformazioni chimiche e la formazione di inquinanti secondari. In più le grandezze meteorologiche che maggiormente influenzano la diffusione degli inquinanti quali il vento, l altezza di rimescolamento (che corrisponde all altezza fino alla quale gli inquinanti emessi a terra si rimescolano, definendo così il volume di diluizione degli inquinanti, e che dipende anche dalla presenza di inversioni termiche), le condizioni di alta pressione associata a stabilità atmosferica, non sono favorevoli alla loro dispersione: nota è la bassa ventosità generale del BPA, con evidenza di zone particolarmente critiche (velocità del vento < 2.5 m/sec) come la zona centrale della pianura, il nord est e la regione subalpina occidentale; la turbolenza meccanica dovuta al vento è bassa, pertanto il rimescolamento è dominato dalla turbolenza termica, più intensa in estate (questo spiega perché le concentrazioni invernali di PM 10 sono molto superiori a quelle estive e perché pressoché tutti i superamenti dei limiti da normativa sono in inverno); il numero di giorni con condizioni di tempo anticiclonico è sempre maggiore di 100 all anno. In più l inquinamento atmosferico non rispetta i confini territoriali, è un fenomeno transfrontaliero, la cui origine fisica può rientrare interamente o parzialmente nei confini di uno Stato e che produce effetti a livello locale ma anche in zone appartenenti ad un altro Stato, ad una distanza che non consente di distinguere i contributi delle singole fonti. Pertanto il BPA rappresenta una sorta di contenitore chiuso, funzionando come un catino naturale in cui, a causa dell elevata concentrazione di fonti di emissione e della meteorologia non favorevole, gli inquinanti più critici, PM 10, NO x, ozono, vengono dispersi omogeneamente e schiacciati al suolo creando un unico strato di inquinamento diffuso e uniforme, con elevate concentrazioni, che determina i superamenti dei limiti normativi. Nel territorio della regione Emilia-Romagna vengono sistematicamente superati i valori di riferimento per il PM 10 e l ozono, occasionalmente per il biossido di azoto. Le aree interessate dai superamenti dei valori limite per PM 10 e NO x si trovano in corrispondenza delle aree di pianura e di fondovalle, man mano che ci si avvicina a zone più collinari o alpine, con una meteorologia più favorevole, le concentrazioni di inquinanti diminuiscono. 12

13 2 Il sistema integrato NINFA-E NINFA-E è il nome del sistema di modelli numerici, basi di dati e strumenti di visualizzazione e distribuzione dei dati sviluppato da ARPA Emilia-Romagna loro e migliora le funzionalità di vari strumenti e fornisce una serie di prodotti e per la previsione, valutazione e gestione della qualità dell aria. Questo sistema, integra tra servizi che vanno dalle mappe delle concentrazioni di nquinanti in Emilia-Romagna, rilevate e previste, prodotte da modelli matematici e statistici, a partire dalle emissioni di nquinanti presenti sul territorio (traffico, riscaldamento, industrie, ecc), dalla meteorologia e dalle misure dellee centraline, alla valutazione di scenari futuri sul Nord Italia e sull Emilia-Romagna per quantificare l impatto sulla qualità dell aria delle variazioni emissive stimate per i prossimi anni, infine alla valutazione dei costi associati agli scenari emissivi predetti. I servizi comprendono anche la diffusione delle informazioni inerenti la qualità dell aria nonché la distribuzione di dati al pubblico ed agli Enti di riferimento mediante interfaccia web pubblica (Internet) o protetta (Intranet). Lo schema a blocchi del sistema integrato NINFA-E e dei componenti ad esso correlati, è rappresentato nella Figura 2.1. Figura 2.1 Schema a blocchi del sistema modellistico di previsione, valutazione e gestione della qualità dell aria di ARPA Emilia-Romagna. In rosso vengono rappresentati i componenti del sistema NINFA-E, in grigio nella parte alta i componenti di supporto, in grigio nella parte bassa i componenti che utilizzano i risultati del sistema NINFA-E ed in fase di sviluppo. La parte centrale del sistema è rappresentata da un insieme di modelli di qualità dell aria (CTM, Chemistry- dispersione e trasformazione chimica degli inquinanti, con un dettaglio adeguato alla rispettiva scala di Transport Models in Figura 2.1). Questi modelli simulano il complesso di processi atmosferici di trasporto, applicazione, dalla scala locale (nella parte bassa dello schema di Figura 2.1) alla scala globale (nella parte alta dello schema di Figura 2.1). Il modello chimico a scala regionalee NINFA rappresenta la implementazione sul Nord Italia, realizzata da ARPA Emilia Romagna, del modelloo CHIMEREE e si avvale delle condizioni al contorno dello stesso modello CHIMERE implementato a scalaa continentale dall istituto francese INERIS (Institut National de l Environnement Industriel et des Risques), denominato PREV AIR che a sua volta utilizza come dati di 13

14 ingresso i risultati di un modello globale (GOCART, GOddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport, della NASA). I dati meteorologici, analizzati e previsti, in ingresso ai modelli di qualità dell aria sono prodotti da una catena di modelli numerici rappresentati nella parte sinistra dello schema (blocco meteorological models ), il cui elemento centrale è rappresentato dal modello ad area limitata (COSMO-I7/LAMA, Limited Area Meteorological Analysis) inizializzato con i dati dei modelli globali IFS (fornito dal Centro Europeo ECMWF) o GME (fornito dal sevizio meteorologico tedesco DWD). I dati meteorologici rilevati da vari sistemi di osservazione (blocco meteo.obs dello schema), dai satelliti (che forniscono osservazioni globali) alle stazioni meteorologiche locali, vengono assimilati nelle analisi meteorologiche per elaborare quotidianamente le condizioni iniziali con le quali vengono integrate le equazioni dell atmosfera (COSMO e IFS) o utilizzati, assieme ai campi di prima scelta, come dati di ingresso per ricostruire i flussi meteorologici ed i parametri diffusivi a piccola scala mediante modelli a conservazione della massa denominati CALMET-SIMC (CALifornian METeorological model). In particolare il modulo CACHI (Cosmo Analysis Calmet-High-rsolution-Integrated), che rappresenta l implementazione ad alta risoluzione ondemand di CALMET, elabora i dati LAMA effettuando un downscaling su domini locali, per ricostruire campi 3D di vento e temperatura e campi 2D dei parametri della turbolenza. I risultati dei modelli CACHI e CALMET forniscono i dati di ingresso meteorologici ai modelli chimici a scala locale ADMS-URBAN e LAPMOD. Il modulo DIAGMET provvede invece alla post elaborazione dei dati meteo analizzati o previsti per fornire il necessario input al modello NINFA. L altro elemento necessario ad alimentare i modelli di qualità dell aria è rappresentato dai dati di emissione e dalle interfaccia con i modelli numerici, rappresentati nella parte destra dello schema riportato in Figura 2.1. Come tutti gli altri dati di ingresso anche le emissioni devono coprire, con gradi di accuratezza diversi, l intera scala di applicazione dei modelli atmosferici. efesto (Full Emission Scenario Tool) è uno strumento appositamente sviluppato nell ambito del progetto NINFA-E che combina dati provenienti da diversi inventari delle emissioni a scala europea, nazionale e regionale con dati geografici (popolazione, uso del suolo, ecc.) per ricostruire la distribuzione spaziale delle emissioni di un elevato numero di inquinanti coinvolti nei processi atmosferici. NINFA oltre a fornire valutazioni sull impatto della qualità dell aria delle variazioni emissive stimate per i prossimi anni, costituisce un input fondamentale per PESCO (il modulo per la previsione e stima delle concentrazioni ad alta risoluzione) e per CREER, (il modulo di ausilio al decisore per la valutazione dei costi/benefici delle tecnologie utilizzabili per il miglioramento della qualità dell aria). La stima delle concentrazioni di fondo urbano a rurale con una risoluzione spaziale di 1 km o a livello comune è effettuata attraverso il modulo geostatitstico PESCO. PESCO si basa sulla combinazione del modello chimico con i dati raccolti, dalla rete di monitoraggio regionale usando le misure delle centraline e ricostruisce la mappa regionale di concentrazione al suolo di ozono e PM 10 e dal 2010 elabora anche PM 2.5 e biossido di azoto. E in fase di sviluppo, UltraPESCO, un nuovo modulo per la stima delle concentrazioni di traffico. L accesso agli archivi dei dati meteorogologi CALMET, COSMOI7/LAMA, delle analisi e previsioni di PESCO e NINFA è possibile attraverso una interfaccia web ARKIWEB Il modulo CREER (Costi Riduzioni Emissioni Emilia Romagna) è un nuovo tool che fornisce al decisore informazioni utili per la scelta delle tecnologie più adatte al miglioramento della qualità dell aria. Per analisi e valutazioni a scala locale, in prossimità di rilevanti sorgenti emissive, dove la qualità dell aria è dovuta principalmente agli inquinanti primari, ARPA dispone di un modello gaussiano avanzato per aree urbane e industriali ad alta risoluzione (ADMS-URBAN, Atmospheric Dispersion Modelling System - Urban) ed un modello lagrangiano per sorgenti singole in orografia complessa (LAPMOD, LAgrangian Particle MODel). Questi modelli possono utilizzare come dati di ingresso per stimare la concentrazione di fondo i dati forniti dal modello NINFA. 14

15 Si deve evidenziare inoltre come il sistema NINFA-E sia strettamente collegato ad altri progetti realizzati da ARPA su incarico della Regione Emilia-Romagna. Tra essi citiamo i progetti Base-ALFA, Utilizzo di tecnologie da satellite per la valutazione della qualità dell aria ed il progetto Indagine sul consumo di biomassa legnosa in Emilia-Romagna. Le relazioni tra questi progetti ancillari ed il sistema NINFA-E sono rappresentati nello schema a blocchi di Figura 2.2 Il progetto BASE-ALFAA (Budget of the Atmosphere-Soil Exchange: A Long-term Fluxes Analysis) è un progetto di ARPA-SIMC finanziato dalla Regione Emilia Romagna. Scopo principale del progetto è comprendere meglio i processi che regolano gli scambi tra suolo e atmosfera e la turbolenza nello strato limite planetario, attraverso una campagna di misure intensive e applicazioni modellistiche. Il secondo progetto prevede l impiego delle nuove tecnologie di rilevamento da satellite per la valutazione della distribuzione spaziale degli inquinanti tramite l integrazione di queste tecnologie con altre tecniche di monitoraggio e valutazione attualmente già consolidate (modellistica e reti al suolo). L ultimo progetto riguarda l indagine sul consumo di biomassa legnosa sul territorio regionalee per valutare la quantità e modalità di utilizzo della legna da ardere per uso domestico, per ottenere poi stime aggiornate del consumo di legna al 2010, identificando per ogni comune della Regionee la quantità di legna e derivati utilizzati nelle diverse tipologie di sistema di riscaldamento domestico. Figura 2.2 Schema a blocchi che illustra i progetti ancillari. Infine va sottolineato come la valutazione e gestione della qualità dell aria sia un processo complesso che può essere schematizzato nellee fasi seguenti: - analisi delle tendenze: realizzata utilizzando le osservazioni dalle stazioni della rete di qualità dell aria combinata con l analisi della componentee meteorologica; - costruzione degli scenari emissivi: realizzata attraverso la combinazione dell inventario regionale con gli inventari nazionale ed europeo mediante il modulo efesto; - valutazione della variabilità interannuale della qualità dell aria: realizzata attraverso i modelli ed i dtaset meteorologici; - previsione e valutazione modellistica a larga scala dello scenario base e degli scenari futuri: realizzata con il sistema di modelli NINFA; - valutazione integrata a dettaglio locale: realizzata con il modulo PESCO; 15

16 - scelta delle politiche ottimali e valutazione dei costi: realizzata con il modulo di supporto alle decisioni (CREER) - analisi degli impatti delle politiche ottimali sulla qualità dell aria: realizzata con il sistema di modelli NINFA: Le varie fasi del processo possono essere realizzate con l ausilio degli strumenti del sistema NINFA-E. Vari esempi di queste applicazioni vengono riportate nel capitolo 4 di questo rapporto. 2.1 Il sistema NINFA Il sistema modellistico NINFA-E si basa su NINFA, la versione regionale del modello di trasporto chimico CHIMERE, abbinata al modello meteorologico COSMO e implementata da ARPA-SIMC. NINFA produce ogni giorno mappe di concentrazione di PM10, PM2.5, ozono e biossido di azoto, per il giorno precedente (analisi) e le successive 72 ore (previsione) oltre a fornire informazioni su altri inquinanti (SO2, VOCs, ecc.) e sulla speciazione e ripartizione granulometrica del particolato. Il modello viene inoltre impiegato per eseguire valutazioni di scenari di inquinamento legati al variare delle emissioni Il modello CHIMERE CHIMERE è un modello a codice aperto (licenza pubblica GNU) a distribuzione libera sviluppato all Ecole Polytechnique di Parigi ( Ciò consente una completa trasparenza e adattabilità alle condizioni locali del sistema di calcolo e ha permesso inoltre di introdurre adattamenti specifici per la pianura padana, modificando l interfaccia meteo (DIAGMET) con correzioni degli schemi di calcolo dell altezza di rimescolamento ed introducendo un modulo per il trattamento esplicito delle sorgenti puntuali. CHIMERE è un modello euleriano di trasporto chimico multiscala tridimensionale, progettato sia per produrre previsioni quotidiane di ozono, polveri ed altri inquinanti, sia per realizzare simulazioni di lungo termine per l analisi di scenari emissivi. Può essere implementato su domini d integrazione molto diversi, dalla scala continentale (qualche migliaio di chilometri) alla scala regionale ( km), con una risoluzione orizzontale compresa tra 100 e 1-2 km. Può inoltre lavorare con diverse risoluzioni verticali e con differenti meccanismi chimici, semplificati o più completi, con o senza aerosols. CHIMERE riproduce i principali fenomeni che riguardano gli inquinanti atmosferici: emissione, diffusione, trasporto, reazioni chimiche, deposizioni. Il meccanismo chimico in fase gassosa utilizzato per le simulazioni è il meccanismo chimico ridotto MELCHIOR2 (Derognat et al., 2003). Questo meccanismo permette di ridurre il tempo di calcolo in quanto opera con 44 specie e circa 120 reazioni ed è stato derivato dal meccanismo chimico completo MELCHIOR (Lattuati, 1997). Il modulo per gli aerosol utilizzato è stato appositamente sviluppato per Chimere (Bessagnet et. al, 2004) utilizzando un modello a classi dimensionali basato sull equilibrio termodinamico calcolato mediante il modello ISORROPIA (Nenes et al., 1998) che esegue una partizione delle specie inorganiche semi volatili tra gas e particolato. Le specie primario, dust e sale non partecipano alle reazioni chimiche. Gli aerosol emessi vengono tutti inclusi nella specie primario (nitrati, solfati, ammonio e secondario organico sono quindi interamente trattati come specie secondarie). Erosione, risospensione e spray marino sono stimati con algoritmi che dipendono da: velocità del vento, friction velocity, umidità del terreno e uso del suolo. La risospensione è indipendente dalla deposizione (agisce in sostanza come un ulteriore erosione del suolo). Per maggiori dettagli sul modulo aerosol, si rimanda al manuale di Chimere (IPSL, 2009). Nell ambito del progetto NINFA-E è stata implementata la nuova versione del codice Chimere (ch2008b). Questa versione presenta alcune importanti innovazioni, sia dal punto vista computazionale che nei processi chimico fisici rispetto a quella precedentemente implementata da ARPA: Codice parallelo per poter essere implementato nei sistemi di calcolo cluster e tempo di integrazione variabile per rendere più efficiente la simulazione 16

17 nuovoo schema per la deposizione secca nuovoo schema chimico per la formazione dell aerosol organico secondario, per il trattamento del carbonio organicoo ed elementare, suddivisione in classi granulometriche dell aerosol ad 8 classi tra 40 nm e 10 μm implementazione del modulo MEGAN per il calcolo delle emissioni biogeniche da vegetazione (Guenther et al., 2006; //acd.ucar.edu/~guenther/megan/megan.htm). MEGAN stima le emissioni nette di gas e aerosol dagli ecosistemi terrestri modellizzando la chioma degli alberi in 5 livelli verticali, calcola le emissioni per tipi di vegetazione come funzione della temperatura, della radiazione solare, dell indice di superficie fogliare e dell età delle foglie e usa dati di copertura del suoloo per calcolare la frazione di copertura per ciascun tipo di vegetazione e i fattori di emissione specificii per tipologia di vegetazione. Nelle simulazioni con NINFA vienee utilizzato il modo standard di CHIMERE con 8 classi granulometr riche (limiti: 40nm, 80nm, 156nm, 312nm, 0.6μm, 1.25μm, 2.5μm, 5 μm, 10μm) e un numero di specie chimiche che riguardano il particolato primario, il particolatoo secondario inorganico (solfati, nitrati, ammonio), l aerosol secondario organico (biogenico, antropogenico) ), dust, sale marino, e specie carboniose, per un totale di 12 variabili prognostiche. La specie dust comprende il trasporto di sabbiaa sahariana e la frazione di particolato dovuta all erosione e alla risospensione. La sabbiaa sahariana è introdotta come valore climatologico al bordoo del dominio del modello continentale a grande scala. Nell implementazione di ARPA-SIMC è stato aggiunto un modulo per il calcolo dell altezza efficace per grandi sorgenti puntuali. NINFA vienee integrato su una griglia regolare UTM ad una risoluzione orizzontale di 5 km e 8 livelli verticali ibridi sigma-p. In pianura, il 1 livello è a circa 40 m, l ultimo a 500 hpa. Il dominio di integrazione copre l intero Nord Italia (figura 2.3) per tenere conto degli effetti delle circolazioni locali nella Pianura Padana, che influenzano pesantementee il trasportoo e la dispersione di inquinanti (Dosio et al., 2002). Figura 2.3 Domini di integrazione del modello I modelli ed i dataset meteorologici I dati meteorologici, analizzati e previsti, in input al sistema modellistico o NINFA necessari per le simulazioni di qualità dell aria sono forniti da una catena di modelli numerici rappresentati nella parte sinistra dello schema riportato in Figura 2.1: il sistema modellistico meteorologicoo COSMO-LAMA-DIAGMET. Tale sistema, oltre a produrre previsioni, viene impiegato anche per ricostruire lo stato dell atmosfera nel passato (analisi), tenendo conto, in questo caso, delle osservazioni disponibili. Elemento centrale è rappresentato dal modello meteorologicoo ad area limitata COSMO-I7, attualmente inizializzato con i dati del modello globale o GME, fornito dal Servizio Meteorologico tedesco. LAMA è il dataset di analisi, DIAGMET l interfaccia necessaria che provvede alla post elaborazione dei dati meteo analizzati o previsti, per generare i file di input corretti da dare al modello fotochimico. 17

18 Il modello COSMO COSMO ( la versione italiana del modello non idrostatico ad area limitata Lokal Modell (LM, Steppeler et al., 2003), progettato a partire dagli anni 90 dal DWD (Servizio Meteorologico tedesco) e sviluppato in seguito da un consorzio internazionale del quale fanno parte per l Italia USAM (Ufficio generale Spazio Aereo e Meteorologia), ARPA- SIMC, ARPA-Piemonte, CIRA. E il modello di riferimento italiano per le previsioni del tempo a breve termine. All interno di ARPA-SIMC a livello operativo produce due volte al giorno previsioni meteorologiche per tutta Italia, con una risoluzione orizzontale di 7 km (COSMO-I7) su di un dominio di circa 2000x2000 km 2 avente griglia sfalsata (staggered) di tipo C (Mesinger & Arakawa, 1976), con un passo di in coordinate sferiche ruotate, e 40 livelli verticali di tipo ibrido (l ultimo è fissato a 30 hpa, e i primi 1500 m di atmosfera contengono almeno 13 livelli). Oltre a descrivere esplicitamente i meccanismi di trasporto e termodinamici a grande scala, COSMO contiene schemi di parametrizzazione per tenere conto dei fenomeni che avvengono all interno delle singole celle: formazione delle nubi e della precipitazione, convezione a piccola scala, radiazione, diffusione turbolenta, strato atmosferico superficiale, suolo, interazione suolo-atmosfera. I più importanti di questi schemi sono: - Formazione della precipitazione. Lo schema descrive l acqua condensata con 4 variabili prognostiche: acqua e ghiaccio nelle nubi, acqua di precipitazione, neve (Baldauf & Schulz, 2004) - Diffusione turbolenta: chiusura al secondo ordine, con equazione prognostica per l energia cinetica turbolenta (TKE). lo schema è di livello 2.5 (nella notazione proposta da Mellor & Yamada, 1982), e considera anche gli effetti di condensazione ed evaporazione. - Strato superficiale: lo schema include un algoritmo per il trasporto verticale basato sulla TKE, e un trattamento specifico della turbolenza nello strato laminare. - Convezione profonda: schema di mass flux (Tiedke, 1989), con chiusura basata sulla convergenza dell umidità. - Radiazione: lo schema valuta 8 intervalli spettrali e include in modo completo i feeed-back tra radiazione e nuvole (Ritter & Geleyn, 1992) - Suolo: descrizione esplicita di temperatura e contenuto d acqua in 8 strati a profondità crescente; lo schema include anche algoritmi per descrivere la traspirazione delle piante, la presenza e lo scioglimento della neve, l acqua trattenuta dalla vegetazione. Il modello utilizza una serie di campi fisiografici: - Orografia: derivata dal dataset del modello digitale del terreno GTOPO30 del Servizio Geologico americano (USGS, risoluzione di 30 x30 ) - Tipo di suolo: dataset DSM (Digital Soil Mapping) della FAO (risoluzione di 5 x5 ) - Copertura vegetale, profondità delle radici e indice di area fogliare dal dataset CORINE dell UE (risoluzione di 250 m) - Rugosità (roughness) superficiale: stimata a partire dai dati GTOPO30 e CORINE. Il modello compie una serie di simulazioni di 12 ore, ciascuna delle quali usa come condizione iniziale i campi in quota prodotti dalla corsa precedente, e i campi superficiali del modello di circolazione generale GME. Durante la simulazione, il modello COSMO-I7 utilizza una tecnica di nudging per assimilare in modo continuo le osservazioni disponibili. Le osservazioni assimilate provengono dalla rete GTS (Global Telecomunication System) dell Organizzazione Meteorologica Mondiale: radiosondaggi (TEMP), misure da aerei e boe oceanografiche (Airep, Buoy, Pilot), dati da satellite (Satob, Satem) e alcuni dati dalle osservazioni superficiali (SYNOP) Il dataset LAMA Il dataset LAMA sfrutta il ciclo di assimilazione di COSMO (Figura 2.2.4). Il modello compie una serie di simulazioni di 12 ore, ciascuna delle quali usa come condizione iniziale i campi in quota prodotti dalla corsa precedente, e i campi superficiali del modello di circolazione generale GME gestito dal Servizio Meteorologico 18

19 tedesco. Questo diverso trattamento ha lo scopo di evitare che parametri quali umidità e temperatura del terreno, per i quali sul territorio italiano non sono disponibili osservazioni regolari, a causa dell accumulo di piccoli errori sistematici finiscano per avere valori irrealistici. Durante la simulazione, il modello utilizza una tecnica di nudging per assimilare in modo continuo le osservazioni disponibili. Le osservazioni assimilate provengono dalla rete GTS: radiosondaggi (TEMP), misure da aerei e boe oceanografiche (Airep, Buoy, Pilot), dati da satellite (Satob, Satem) e alcuni dati dalle osservazioni superficiali (SYNOP). Il dataset LAMA copre un area di 1200x1200 km 2, corrispondente alla parte centrale del dominio di COSMO: tutti i suoi punti sono ad almeno 200 km dal bordo del dominio di integrazione, e gli effetti diretti delle condizioni al contorno possono essere considerati trascurabili. Nel corso degli anni, il modello COSMO è stato continuamente sviluppato, e sono state fatte diverse modifiche alla catena operativa ARPA-SIM; la struttura del modello e le principali parametrizzazioni fisiche sono comunque rimaste le stesse, e il dataset può quindi essere considerato sufficientemente omogeneo. Le principali novità introdotte nel tempo sono: - aprile 2004: le condizioni al contorno vengono prese dal modello tedesco GME (nel periodo aprile 2003 marzo 2004 erano state usate le analisi ECMWF) - gennaio 2006: la risoluzione verticale passa da 35 a 40 livelli - febbraio 2008: introdotta la versione 4 del modello, che comprende tra l altro una nuova parametrizzazione del suolo. Aggiornati anche i parametri fisiografici (da questo momento provengono dal dataset Global Landcover 2000) Figura Schema della catena operativa del modello COSMO. I riquadri rossi corrispondono al dataset LAMA. A scala inferiore (vedi parte sinistra Figura 2.1) l input meteo, necessario in ingresso a modelli chimici a scala locale, viene prodotto a partire da altri moduli: il modulo CACHI, che rappresenta l implementazione ad alta risoluzione on-demand di CALMET, elabora i dati LAMA effettuando un downscaling su domini locali, per ricostruire campi 3D di vento e temperatura e campi 2D dei parametri della turbolenza. I risultati dei modelli CACHI e CALMET forniscono i dati di ingresso meteorologici ai modelli chimici a scala locale ADMS- URBAN e LAPMOD. Nel contesto dell applicazione specifica relativa alla qualità dell aria, le analisi derivate dal ciclo di assimilazione di COSMO vengono utilizzate per fornire l input meteo al modello fotochimico. Alcuni parametri meteorologici particolarmente importanti per la qualità dell aria non sono calcolati direttamente da COSMO, ma stimati a posteriori tramite algoritmi parametrici alimentati dai dati del modello. A questo scopo, per 19

20 calcolare i seguenti parametri vengono utilizzati algoritmi mutuati dal pre-processore meteorologico del modello chimico e di trasporto Chimere ( - Velocità di attrito (friction velocity) e lunghezza di Monin-Obukov: in base a Louis 1979 e Louis et al Altezza di rimescolamento (mixing height): in base a Troen e Mahrt 1986 (condizioni stabili) e Cheinet 2002 (condizioni instabili) - Classe di stabilità: in base a Bowen 1983 (ore diurne) e Reuter 1970 (ore notturne) Il modulo DIAGMET DIAGMET è il pre-processore meteorologico del modello di trasporto e dispersione CHIMERE. Mentre i valori orari di temperatura, vento, pressione, umidità dell aria, copertura nuvolosa, flussi superficiali e umidità del suolo sono passati direttamente da COSMO-LAMA a CHIMERE, il contenuto d acqua delle nubi, l altezza di rimescolamento e la velocità d attrito sono ricalcolati mediante schemi parametrici attraverso il modulo DIAGMET. Il pre-processore è stato opportunamente adattato da ARPA-SIMC, anche per tenere conto dell influenza delle aree urbane sui parametri della turbolenza. DIAGMET utilizza uno schema parametrico dipendente da Hmix, U*, MO, W* con formule diverse per le condizioni atmosferiche stabili/instabili, e per quote maggiori/minori di Hmix (Institut Pierre-Simon Laplace des Sciences da l environnement et al., 2009). La velocità verticale è diagnosticata a partire dalla divergenza del vento orizzontale. L effetto delle nubi sulle reazioni fotochimiche viene considerato parametrizzando l attenuazione della radiazione (Institute Pierre- Simon Laplace et al., 2009). Nella versione modificata da ARPA-SIMC di DIAGMET U*, MO e Hmix sono calcolati con schemi parametrici, a partire dai profili di temperatura potenziale e velocità del vento, dai flussi di calore e da vento e temperatura alla superficie forniti dal sistema COSMO-LAMA.. Il contenuto d acqua delle nubi è stato stimato con uno schema parametrico (Slobin, 1982) a partire dalla copertura nuvolosa fornita dal modello COSMO. Nelle celle prevalentemente urbane sono stati imposti valori minimi per: Hmix (150m), Kz (0.25 m2/s), MO in condizioni stabili (25 m). Il massimo valore dell altezza di rimescolamento Hmix è stato imposto essere 2500 m Gli inventari emissivi ed il modulo efesto per la spazializzazione delle emissioni Elemento necessario ad alimentare i modelli di qualità dell aria è rappresentato dai dati di emissione e dalle interfaccia con i modelli numerici, rappresentati nella parte destra dello schema riportato in Figura 2.1. I dati di emissione di inquinanti sono disponibili in termini di inventario delle emissioni contenenti dati temporalmente mediati o aggregati e spazialmente riferiti a unità amministrative; tali emissioni provengono dalle cosiddette sorgenti diffuse, cioè distribuite sul territorio, e si distinguono da quelle puntuali che generano emissioni riferite spazialmente a entità fisiche (ad esempio camini, strade), localizzabili geograficamente. Le sorgenti di emissione coprono un ampio spettro di attività che si rende necessario classificare in maniera da porre in risalto la specifica natura dell attività, dei processi di produzione coinvolti e delle distinte tecnologie di abbattimento di inquinanti utilizzate. L input emissivo al modello di simulazione deve coprire l intero dominio di integrazione. Pertanto viene predisposto a partire da 3 inventari a diversa scala spaziale: - a livello regionale dall inventario delle emissioni INEMAR (INventario EMissioni ARia) - a livello nazionale dall inventario ISPRA 2005 per le emissioni diffuse e puntuali e, a livello di bacino padano adriatico con le emissioni puntuali prese dall inventario del progetto POMI (Po-Valley Model Intercomparison exercise) - a livello transnazionale dall inventario del progetto MACC (Monitoring Atmospheric Composition and Climate) L inventario regionale delle emissioni dell Emilia.Romagna INEMAR L inventario regionale delle emissioni in atmosfera, anno di riferimento 2007, è stato realizzato da ARPA Emilia-Romagna utilizzando il software INEMAR (INventario EMissioni ARia attualmente utilizzato dalle Regioni Lombardia, Piemonte, Emilia-Romagna, Veneto, Marche, Puglia, Friuli Venezia Giulia e le Province 20