STUDIO MODELLISTICO DELLA DISPERSIONE DI PARTICOLATO IN AREA MEDITERRANEA CARATTERIZZATA DA INCENDI BOSCHIVI (estate 2007)

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1 STUDIO MODELLISTICO DELLA DISPERSIONE DI PARTICOLATO IN AREA MEDITERRANEA CARATTERIZZATA DA INCENDI BOSCHIVI (estate 2007) C. Pizzigalli, R.Cesari ISAC-CNR Sezione di Lecce A.Maurizi, F.Russo, F.Tampieri ISAC-CNR Sede di Bologna M.Mircea, M.D Isidoro ENEA Centro Ricerche Bologna

2 motivazioni L Area Mediterranea è spesso interessata da episodi di inquinamento fotochimico e di alte concentrazioni di particolato atmosferico. Nell Area Mediterranea si verificano spesso episodi di incendi boschivi. Le emissioni di gas e particolato derivanti da incendi boschivi hanno un importante impatto sulla qualità dell aria, sul budget radiativo della terra e quindi sul clima, sia a scala regionale, che globale. Esigenza di includere in un modello di composizione chimica dell atmosfera tali emissioni.

3 modello di emissione da incendi stima dei flussi di emissione stima delle altezze di emissione informazioni necessarie dati da satellite per la localizzazione e la durata dei fuochi. database di vegetazione per la zona di interesse.

4 stima dei flussi di emissione Per stimare i flussi di emissione, si è utilizzato il metodo proposto da Seiler e Crutzen [1980]: E = A B CE i e i dove E i è l emissione della specie i in un dato intervallo temporale t (kg t -1 ), A è l area bruciata nello stesso intervallo di tempo t (m 2 t -1 ), B è il fuel load (massa di biomassa per area) (kg m -2 ), CE è l efficienza di combustione, e i è il fattore di emissione per la specie i (g kg -1 ). Specie emesse: gas: CO2, CO, NOx, NH3, SO2, NMHCs, CH4 aerosol: PM10, PM2.5

5 B (fuel load) ed e i (fattore di emissione per la specie i) dipendono dal tipo di vegetazione, CE dipende dalla copertura arborea. tipi di vegetazione utilizzati Evergreen Needleleaf Forest Evergreen Broadleaf Forest Deciduous Needleleaf Forest Deciduous Broadleaf Forest Mixed Forest Woodland Wooded Grassland Closed Shrubland Open Shrubland Grassland Cropland Bare Ground Urban and Built Water Molti studi basati su misure da satellite e in-situ suggeriscono che le emissioni da incendio seguono un ciclo diurno con un picco nel primo pomeriggio. Abbiamo dunque applicato una modulazione oraria come suggerita nel lavoro WRAP,2005

6 stima delle altezze di emissione Altezza di emissione decisa in base al tipo di vegetazione 2 km < h < 3 km (incendi in Russia) 3 km < h < 7 km (incendi in Canada) h solo nel primo livello del modello (incendi in Indonesia)

7 stima delle altezze di emissione --- modulazione diurna Stima dell altezza massima e minima in cui e compresa l emissione di ogni incendio in funzione dell estensione del fuoco. (WRAP, 2005) classe Ptop max (m) Ptop min (m) Calcolo di Ptop hour e Pbot hour come modulazione diurna (oraria) di Ptop max e Ptop min

8 Caso studio: estate 2007 incendi Grecia, Albania, Algeria mappa dei fuochi attivi dal 22 al 31 Agosto 2007

9 esempio a) b) Mappa delle emissioni di CO (a) e PM2.5 (b) in Tons per il giorno 26/08/2007.

10 stima delle emissioni: modulazione diurna Modulazione oraria delle emissioni rispettivamente di CO (sinistra) e PM2.5 (destra) in Tons nel giorno 26 Agosto lon = 21.7 E lat=37.5 N

11 dati FINN (Fire INventory from NCAR version 1.0) SPECIES CO NO NO2 Pm25 Pm10 SPECIES CO NO NO2 Pm25 Pm Emissioni in Ktons calcolate seguendo il metodo descritto per le aree Albania-Grecia-Algeria Emissioni in Ktons da database FINN per le aree Albania-Grecia-Algeria

12 dati FINN (Fire INventory from NCAR version 1.0) Quantità totale emessa dal 22 al 31 Agosto di CO e PM2.5: PM2.5 = 67 KTons CO = 510 KTons PM2.5 = 35 KTons CO = 363 KTons Preprocessore BOLCHEM Dati FINN Principali differenze di calcolo: mappa di vegetazione, dati utilizzati per l individuazione dell area bruciata.

13 stima delle altezze di emissione: modulazione diurna andamento orario dell altezza di emissione minima e massima (metri) relativa ad un area in cui è stato rilevato l incendio da MODIS (lon=21,7 lat=37,5 ) per il giorno 25 Agosto 2007.

14 stima delle altezze di emissione: back trajectories Centroide delle back-trajectories (modello FLEXPART) per il periodo agosto traiettorie rilasciate ogni ora Tempo di integrazione 10 giorni

15 BOLCHEM BOLCHEM (D'Isidoro et al., 2005; Mircea et al., 2007) è un modello di dinamica e composizione dell atmosfera per la simulazione e previsione della struttura fisico-chimica dell atmosfera a scala regionale: la meteorologia (evoluzione della velocità, pressione, temperatura e vapor acqueo) è accoppiata on-line con la chimica (gas e particelle) One ATMOSPHERE: Meteo, Gas, Aerosol, Chimica, Trasporto, Radiazione, Clima Metorologia e chimica utilizzano quindi: Stessa griglia Stesso passo temporale Stessi schemi di avvezione e diffusione Stesse parametrizzazioni per i fenomeni di trasporto sotto-griglia

16 BOLCHEM BOLAM (Bologna Limited Area Model., Buzzi et al., 1994, 2003) e un modello idrostatico sviluppato all ISAC-CNR SAPRC90 (Carter, 1990) : lumped-molecular condensed mechanism Aero3 (Binkowski et al., 1995): approccio di Whitby (1978) in cui le particelle sono descritte con un approccio modale (distribuzioni lognormali): Aitken mode, accumulation mode e coarse mode. I principali processi considerati sono: nucleazione, condensazione e coagulazione Schema per la rimozione secca e umida di gas e aerosol Emissioni antropogeniche basate su database GEMS/TNO Un preprocessore per le emissioni biogeniche Modello di emissione per gli incendi boschivi

17 BOLCHEM FLOW CHART Initial and boundary conditions Aerosol Removal: dry and wet Modelled Aerosol Emissions: (sea salt e dust??) forest fire Aerosol Model: aero3 Meteorological Model: BOLAM + Transport and Diffusion Gas Removal: dry and wet Aerosol optical properties Cloud condensation nuclei U,v,T,p,q,radiative fluxes Modelled Gas Emissions: biogenic Heterogeneous chemistry Gas Chemistry: SAPRC90 Topography data Land Use Data Gas and Aerosol Anthropogenic Emissions

18 Set up simulazione Periodo Agosto 2007 Dominio Europa e Africa del Nord Risoluzione orizzontale 0.25 X 0.25 Risoluzione verticale 40 livelli verticali in coordinate sigma per la meteorologia, 20 per la chimica. Step temporale 200 s Condizioni iniziali e al contorno METEO Campi meteorologici da ECMWF (analisi) ogni 6 ore Condizioni iniziali e al contorno CHIMICA campi chimici da ECMWF (analisi per progetto GEMS) ogni 6 ore Emissioni Antropogeniche data set TNO (TNO 2007). Emissioni biogeniche modello GEMS/NKUA (Symeonidis et al,2007) Emissioni da incendi dati ottenuti dal pre-processore delle emissioni sviluppato. SIMULAZIONE 1) ant + bio + fire SIMULAZIONE 2) ant + bio

19 Situazione meteorologica Altezza del geopotenziale (in metri) e vento a 800hPa da BOLAM per il A) 26 Agosto 2007 ore 12 UTC e B) 29 Agosto 2007 ore 12 UTC. (Cristofanelli et al.,2009)

20 Mappe di concentrazione per il PM10 (microg/m 3 ) 29 Agosto 2007 ore 17UTC -suolo Simulazione 1) ant bio fire Simulazione 2) ant bio Simulazione 1) Simulazione 2)

21 Mappe di concentrazione per il PM10 (microg/m 3 ) 29 Agosto 2007 ore 17UTC liv10bolam Simulazione 1) ant bio fire Simulazione 2) ant bio Simulazione 1) Simulazione 2)

22 Mappe di concentrazione per il Black Carbon (BC) 29 Agosto 2009 ore 17UTC -suolo Simulazione 1) ant bio fire Simulazione 2) ant bio Simulazione 1) Simulazione 2)

23 Profilo verticale di BC su M.Cimone (lon=23.4 lat=37.5 ) linea nera simulazione 1) linea verde simulazione 2) Giorno 28 ore 3 UTC Giorno 29 ore 8 UTC Giorno 30 ore 17 UTC Cristofanelli et al, 2009

24 Conclusioni Stima delle emissioni da incendio boschivo Stima delle altezze di emissione PREPROCESSORE emissioni da incendio in BOLCHEM Modulo per le emissioni da incendio in BOLCHEM Sviluppi futuri Migliorare la stima delle emissioni da incendio Confronto con dati lidar e con misure ottiche

25 GRAZIE PER L ATTENZIONE