INFLUENZA DEL MIXING LAYER SULLE CONCENTRAZIONI DEI PMX

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1 INFLUENZA DEL MIXING LAYER SULLE CONCENTRAZIONI DEI PMX E. Bolzacchini, L. Ferrero, M. G. Perrone, G. Sangiorgi, Department of Environmental Sciences, University of Milano-Bicocca, Piazza della Scienza, 1, I-2126 Milano, Italy. 1

2 Milano. Media mensili di PM : PM 1 2 PM PM 1 21 PM PM 1 22 PM PM 1 23 PM PM 1 24 PM PM 1 26 PM PM ug/m gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre Campionamento giornaliero PM2.5 e PM1 (sistema di campionamento gravimetrico basso volume, 16,67 l/min). Anno in collaborazione con ARPA University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences

3 SMOG FOTOCHIMICO a MILANO, marzo 25 (da Torre Branca) Il Planetary Boundary Layer o Strato Limite Planetario è definito come quella porzione di troposfera a diretto contatto con l uomo e la biosfera influenzata dalla presenza della superficie terrestre e che risponde al suo forcing con un tempo di scala di circa un ora University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences

4 Profili verticali del Particolato Atmosferico ottenuti presso il sito di Torre Sarca (Università di Milano-Bicocca, U-15) U Pallone aerostatico frenato diametro 4 m: - 36 m AGL di altezza massima - equipaggiato con OPC GRIMM 1.18 Dustcheck - verricello con velocità ascensionale impostabile in continuo tra e 5 m/min Misure del particolato atmosferico mediante OPC GRIMM: - acquisizione del dato ogni 6 sec - risoluzione spaziale di ogni misura (a 15 m/min di velocità ascensionale) di 1,5 metri. Misure dei parametri meteo tramite stazione LSI-Lastem (p, T, UR%, Dir e Vel Vento) 4

5 Il PBL e gli inquinanti al suolo L influenza dell altezza del Planetary Boundary Layer sulle concentrazioni di inquinanti è nota da tempo ed è stata dimostrata in diversi articoli. Nel seguente studio, riferimento agli studi in Milano nell anno 26. Durante tale indagine è stata misurata la concentrazione degli inquinanti lungo la verticale in condizioni di stabilità ed instabilità atmosferica. Profili verticali della concentrazione numerica di particelle tra.3 e.8 um - 1 Febbraio 26 Quota (m AGL) Quota (m AGL) H dispersione PM H dispersione PM h 14:2-14:44 h 14:5-15:14 h 15:5-16:14 h 17:5-17:35..E+ 1.E+5 2.E+5 3.E+5 4.E+5 5.E+5 6.E+5 7.E+5 8.E+5 Serie2 Serie3 ug/m l -1 1 febbraio, 133 µg/m 3 di PM 2,5 legati alle basse condizioni di rimescolamento dei bassi strati della troposfera Andamento del PM2,5 presso Torre Sarca 7:45 8:54 1:44 13:38 14:38 14:56 15:56 17:13 1/2/6 Data e ora solare /1/6 29/1/6 3/1/6 31/1/6 1/2/6 2/2/6 3/2/6 4/2/6 5

6 Profili verticali del Particolato Atmosferico ottenuti presso il sito di Torre Sarca (Università di Milano-Bicocca, U-15) U Alcuni esempi di evoluzione della altezza di dispersione del particolato atmosferico in diverse situazioni di apertura : Mattina Pomeriggio Quota (m AGL) Profili verticali della concentrazione numerica di particelle tra.3 e.8 um - 2 Dicembre h 8:48-9:18 h 1:13-1:21 h 11:7-11:38 Quota (m AGL) Profili verticali delle concentrazioni numeriche di particelle tra.3 e.8 um - 24 Gennaio h 15:2-15:33 h 15:36-15:5 h 15:53-16:13 h 16:14-16:34 h 16:35-16: E+ 2.E+5 4.E+5 l-1 6.E+5.E+ 1.E+5 2.E+5 3.E+5 l-1 4.E+5 6

7 Variazioni di radon rispetto alla concentrazione atmosferica di PM1, si nota una stretta correlazione tra i valori più elevati del PM1 e alte concentrazioni di radon. Questo significa che le condizioni meteorologiche che sono alla base dell arricchimento di radon nello strato di rimescolamento sono anche la causa dell aumento del PM1, indipendentemente dalle variazioni delle sorgenti emissive di quest ultimo. Di conseguenza, una diminuzione dell altezza dello strato di rimescolamento, evidenziata da alti valori di radon anche durante le ore diurne, è una delle cause dominanti dell innalzamento delle concentrazioni atmosferiche del PM1 che possono portare a superamenti del limite di 5 µg/m 3 Relazione Finale del progetto PASF-2 (Particolato Atmosferico a Sesto Fiorentino PM1 e PM2.5 Luglio 25 Marzo 27), Prof. Roberto Udisti. 7

8 Concentrazioni atmosferiche di Radon e PM1 nell inverno 25/6 e rapporti di concentrazione Come può essere osservato l incremento delle concentrazioni di radon e di PM1 è molto simile, se non del tutto analogo. Questo significa che la formazione di strati di inversione termica al suolo può spiegare per almeno il 75% (talvolta il 1%) le maggiori concentrazioni di PM osservate durante i periodi di superamento invernale. Relazione Finale del progetto PASF-2 (Particolato Atmosferico a Sesto Fiorentino PM1 e PM2.5 Luglio 25 Marzo 27), Prof. Roberto Udisti. 8

9 Emissioni PM primario e secondario DATI EUROPEAN ENVIRONMENT AGENCY. Andamento delle emissioni di particolato primario (viola) e secondario (verde) in Europa nel periodo Antonio Ballarin Denti, Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Cattolica del Sacro Cuore

10 Andamento delle concentrazioni medie annue di PM1 nel periodo in alcune delle principali città europee (stazioni di fondo urbano) Antonio Ballarin Denti, Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Cattolica del Sacro Cuore

11 Variazione temporale ( ) della percentuale di popolazione urbana europea esposta a concentrazioni di inquinanti atmosferici sopra i valori limite. Antonio Ballarin Denti, Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Cattolica del Sacro Cuore

12 European Centre for Medium Range Weather Forecast Centro europeo di previsione a medio termine sito a Reading (Inghilterra) Fornisce un database di dati meteorologici di rianalisi di 45 anni: ERA 4 ( I dati di rianalisi sono valori di osservazioni globali alle ore sinottiche principali ( UTC, 6 UTC, 12 UTC e 18 UTC), provenienti da stazioni meteo, rilievi nautici, boe marine, rilievi aerei, radiosondaggi ed, a partire dal dicembre del 1978, anche da satellite, interpolati tramite degli algoritmi di calcolo su una griglia di 2.5 X 2.5 University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences 12

13 Numero di osservazioni mensili al suolo da cui sono ricavati i dati di ERA 4. La figura è riferita al novembre del 1998 (Fonte: University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences 13

14 Materiali e metodi d analisi Area d interesse: i dati sono stati estratti con FORTRAN per l area padana Parametri considerati: (gennaio agosto 22) 1)Temperatura 2) Pressione 3) SSR 4) Precipitazioni 5) Altezza del PBL Periodo d analisi: 1) Inverno (Dicembre, Gennaio, Febbraio) 2) Estate (Giugno, Luglio, Agosto)

15 Risultati Periodo invernale Andamento mediano dell HBL per il mese di gennaio. Il PBL è diminuito sia nel mese di gennaio (~ -12%) che nel mese di dicembre (~ -9%) Mediana - Gennaio ( UTC) Mediana - Gennaio (6 UTC) altezza (m) altezza (m) Mediana - Gennaio (12 UTC) Mediana - Gennaio (18 UTC) altezza (m) altezza (m) 15

16 Risultati Periodo invernale Gennaio Istogrammi di frequenza (dati di HBL) 1 Histogram UTC: I dati presentano un massimo intorno ai 1-15 m Frequency 5 Histogram 5 6UTC UTC: I dati presentano un massimo intorno ai 5 m Frequency UTC 1 16

17 Risultati Periodo invernale Gennaio Altezza del PBL UTC: 1. Altezza media del PBL è diminuita (~ -1%) 2. Numero giorni con PBL < 5 m è aumentato (~ 1%) 3. Numero di giorni consecutivi con PBL < 5 m è aumentato (~ 61%) 3 17

18 Il valore considerato di 125 hpa, indica le tipiche condizioni bariche di alta pressione invernale. Sono stati, considerati il numero di giorni ed il numero di giorni consecutivi in un determinato mese aventi pressione maggiore del valore soglia, per verificare un aumento o una diminuzione delle condizioni di alta pressione invernale e quindi della formazione di condizioni di stabilità atmosferica. Anche il numero di giorni consecutivi è parametro particolarmente importante perché se le condizioni di stabilità atmosferica permangono nell area d interesse per un periodo di tempo sufficientemente lungo, possono crearsi delle inversioni termiche al suolo molto persistenti con conseguenti ripercussioni sull altezza del PBL e quindi sulle concentrazioni di inquinanti. In particolare si nota una certa corrispondenza tra periodi caratterizzati da alte pressione molto marcate e un aumento dei giorni con PBL basso. University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences 18

19 Risultati Periodo invernale Gennaio Pressione Il numero di giorni con pressione > 125 hpa è aumentata a tutte le ore sinottiche principali (~ 32%) + 35% + 27% + 35% + 31% 19

20 Risultati Periodo invernale Gennaio Radiazione e Precipitazioni Le precipitazioni medie sono diminuite (~ -4% ) La radiazione al suolo è aumentata (~ 12%), quindi sono aumentati i giorni di cielo sereno Condizione tipiche di Alte Pressioni invernale 2

21 Andamento temperature in Italia REGIONALIZZAZIONE (Principal Component Analysis) Andamento precipitazioni in Italia REGIONALIZZAZIONE (Principal Component Analysis) ANDAMENTI: ANNO E STAGIONI ANDAMENTI ANNUALE E STAGIONALE +1.7: : 1816 W S W S Brunetti M, Maugeri M, Monti F, Nanni T. 25. Temperature and precipitation variability in Italy in the last two centuries from homogenised instrumental time series. Sp A Brunetti M, Maugeri M, Monti F, Nanni T. 25. Temperature and precipitation variability in Italy in the last two centuries from homogenised instrumental time series. Sp A Int. J. Climatol. (in press) Int. J. Climatol. (in press) A (sinistra): andamento delle temperature in Italia negli ultimi 2 anni B (destra): andamento delle precipitazioni in Italia negli ultimi 2 anni Antonio Ballarin Denti, Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Cattolica del Sacro Cuore

22 Italia: percentuale dei giorni di siccità invernale NORD SUD % % Brunetti, M., Maugeri, M., Nanni, T. Navarra A., 22, Int. J. Climatol., 22, Variazioni dei periodi di siccità invernale negli ultimi decenni in Italia. Antonio Ballarin Denti, Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Cattolica del Sacro Cuore

23 The North Atlantic Oscillation (NAO) La North Atlantic Oscillation è un oscillazione periodica della pressione tra il Ciclone d Islanda e l Anticlone delle Azzorre NAO positiva: NAO negativa: L andamento invernale può essere spiegato, in parte, dai cambiamenti climatici in atto: in particolare la variazione della struttura e dell intensità della circolazione atmosferica tra i 6 ed i 9 di latitudine nord. Questo si traduce in un espansione verso le nostre latitudini degli anticicloni caldi, quale appunto l Anticiclone delle Azzorre. Si creano così delle condizioni invernali di North Atlantic Oscillation (l oscillazione di pressione tra l Anticlone delle Azzorre ed il Ciclone d Islanda, NAO) sempre più positiva, che bloccano l arrivo delle perturbazioni atlantiche responsabili del maltempo sulla nostra penisola. 23

24 The North Atlantic Oscillation (NAO) Dagli anni 8 la NAO si attesta sempre più frequentemente su valori positivi Condizioni di NAO positiva corrispondono ad alte pressioni in Val Padana Condizioni di NAO negativa corrispondono a basse pressioni in Val Padana University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences 24

25 The North Atlantic Oscillation (NAO) Alte pressioni corrispondono a HBL basso Basse pressioni corrispondono a HBL alto Esiste una relazione tra NAO e PBL University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences 25

26 I mutamenti climatici intervenuti negli ultimi 15 2 anni hanno inciso in maniera negativa sulla qualità dell aria delle metropoli del Nord-Centro Italia più che in qualunque altra area europea. Oltre ad una maggiore diminuzione dell intensità del vento la piovosità invernale ha palesato una riduzione più forte che nel resto d Europa (Figura 45), tanto che gli episodi di grave siccità che interessano tale area del nostro paese nel semestre freddo sono ormai divenuti sempre più ricorrenti. Si è passati da tre eventi siccitosi negli anni 8 e 9 a sei casi nella prima decade del 2 (Fonte: Centro Epson Meteo). Variazione della piovosità in Europa Variazione del ventosità in Europa University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences 26

27 Conclusioni L altezza del PBL ha subito una diminuzione invernale dal 1958 al 22 in particolare a gennaio, a seguito di un indice NAO sempre più positivo (Alte Pressioni invernale) La NAO è influenzata dai cambiamenti climatici in atto La riduzione delle sorgenti di emissione di PM1 in Nord Italia è contrastata da un abbassamento dello dell altezza del PBL University of Milano-Bicocca - Environmental Sciences 27