Valutazione modellistica della Qualità dell Aria. Anno 2010

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1 Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 Dicembre 11

2 Titolo del rapporto: Valutazione modellistica della qualità dell aria per l anno 1 Destinatario: Regione Lombardia Direzione Generale Ambiente Energia e Reti ARPA Lombardia Agenzia Regionale per la Protezione dell Ambiente della Lombardia U.O. Modellistica Atmosferica Settore Aria e Agenti Fisici Viale Restelli 3/1 124 Milano Protocollo n : Del: Autori: Edoardo Peroni, Giuseppe Fossati, Maria Abbattista, Elisabetta Angelino ARPA Lombardia Abstract Il rapporto illustra le tecniche di modellazione utilizzate e i principali risultati ottenuti nell ambito della valutazione modellistica della Qualità dell Aria relativa all Anno 1 e condotta da ARPA Lombardia. Principale risultato del lavoro svolto è stato quello di ricostruire la distribuzione spaziale delle concentrazioni degli inquinanti sul territorio lombardo e la loro evoluzione nel corso del 1. Parole chiave modelli meteo-dispersivi, valutazione integrata annuale della qualità dell aria Verificato Dirigente U.O. Modellistica Atmosferica Approvato Direttore Settore Aria e Agenti Fisici Dr.ssa Elisabetta Angelino Dr.ssa Silvia Anna Bellinzona

3 La normativa europea e nazionale richiede l utilizzo di tecniche di modellazione quale supporto per la conoscenza e la gestione della qualità dell aria. Negli ultimi anni si è quindi assistito ad una sempre maggiore applicazione di modelli matematici per analisi di scenario, per la mappatura delle concentrazioni degli inquinanti e per il supporto all analisi di episodi. ARPA Lombardia si è dotata da diversi anni di un sistema atto a simulare le concentrazioni di inquinanti gassosi e di particolato; nel presente lavoro si riportano i risultati ottenuti per la valutazione modellistica della qualità dell aria relativa all anno 1. Nel rapporto si introduce il sistema modellistico utilizzato (cap. 1), si descrivono i dati e le principali ipotesi assunte (cap. 2, cap. 3) ed i risultati ottenuti nelle simulazioni condotte (cap. 4). La valutazione dei risultati è basata su: confronto tra i dati di concentrazione misurati dalle postazioni di monitoraggio di qualità dell'aria ed i valori simulati estratti per la cella della griglia di calcolo contenente la centralina di misura confronto grafico tra i campi di concentrazione al suolo ottenuti per i diversi inquinanti. Le prestazioni sono state inoltre quantificate sulla base dei più comuni indici statistici utilizzati nel settore dalla comunità scientifica internazionale. Analisi più dettagliate circa le performance del sistema nella riproduzione dell andamento di alcuni parametri meteorologici e delle concentrazioni dei principali inquinanti sono riportate nelle appendici.

4 Indice 1. Descrizione del sistema modellistico Pag I dati utilizzati per la simulazione Pag I campi meteorologici per l anno 1 Pag I risultati Pag. 5 APPENDICI A. Confronto tra concentrazioni medie annuali misurate e calcolate su singole postazioni per il 1 Pag. A-I A.1 Medie annuali di PM1 A.2 Medie annuali di NO2 A.3 Medie annuali di O3 B. Indicatori di prestazione circa le concentrazioni di inquinanti simulate per l anno 1 Pag. B-I B.1 Indicatori di prestazione per PM1 B.2 Indicatori di prestazione per NO2 B.3 Indicatori di prestazione per O3 C. Indicatori di prestazione circa i parametri meteorologici simulati anno 1 Pag. C-I C.1 Indicatori di prestazione per temperatura C.2 Indicatori di prestazione per velocità del vento C.3 Rose dei venti annuali: confronto misurato e simulato C.4 Distribuzioni per classi di intensità del vento: confronto misurato e simulato

5 1. Descrizione del sistema modellistico Il sistema modellistico utilizzato per la simulazione di qualità dell aria per l anno 1 è ARIA Regional, sviluppato dalla società AriaNET srl, ed applicato presso la U.O. Modellistica Atmosferica del Settore Aria e Agenti Fisici di ARPA Lombardia. Il nucleo del sistema, il modello euleriano FARM, appartiene alla famiglia di modelli che vanno sotto il nome di Chemical Transport Models (CTM), in grado cioè di trattare i principali processi di natura chimico-fisica di formazione e rimozione degli inquinanti, oltre al trasporto ed alla dispersione per azione del vento e del rimescolamento atmosferico. Il sistema è costituito dai seguenti moduli (Figura 1.1): - modello di trasporto, diffusione e chimica dell atmosfera (FARM, tratta inquinanti gassosi e particolato aerodisperso primario e secondario); - processori per l organizzazione delle misure meteorologiche; - modello diagnostico per la ricostruzione dei campi di vento, temperatura ed umidità (SWIFT); - modello per la stima dei parametri che descrivono la turbolenza atmosferica, per la determinazione della velocità di deposizione secca degli inquinanti gassosi e per la determinazione delle costanti di chiusura delle equazioni euleriane (SURFPRO); - modulo per l elaborazione di inventari di emissione e la preparazione dei files emissivi in input al modello FARM (Emission Manager); - moduli per la preparazione delle condizioni iniziali ed al contorno al modello FARM a partire dai dati del database regionale di qualità dell'aria e dai campi simulati a scala continentale dal modello CHIMERE. Il cuore del sistema, il modulo chimico dispersivo FARM, è lo stesso incluso nella catena che ENEA, su incarico del Ministero per l Ambiente ed in collaborazione con AriaNET srl e IIASA (International Institute for Applied Systems Analysis), ha sviluppato nell ambito del progetto MINNI. Per armonizzare le concentrazioni misurate con quelle calcolate, vengono utilizzate delle tecniche di assimilazione, di interpolazione tra campi simulati e misure. Gli algoritmi alla base di questo procedimento fanno si che in un opportuno intorno di alcuni punti di misura, scelti in modo da essere rappresentativi di un area sufficientemente ampia, i valori calcolati vengano avvicinati al valore misurato, in modo da compensare eventuali errori sistematici nel calcolo derivanti da carenze nella stima delle emissioni o della meteorologia, oppure per ridurre l effetto di smoothing introdotto dal passo di grigliato. Il sistema appena descritto è utilizzato correntemente da ARPA Lombardia per più scopi, quali la ricostruzione di episodi critici di ozono e particolato PM1 e l analisi dell impatto sulla qualità dell aria di scenari emissivi. Su richiesta dei Dipartimenti provinciali ARPA, inoltre, è utilizzato per estrarre risultati su porzioni del territorio o per essere applicato con risoluzione maggiore per analisi di ricadute locali. Infine, dal 8 il sistema viene quotidianamente utilizzato in modalità operativa di tempo quasi reale o Near Real Time (NRT) per la costruzione e la pubblicazione sul sito di ARPA di mappe di inquinamento giornaliere [ Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 1

6 Uso del suolo Orografia Misure rete Radiosondaggi ECMWF INEMAR APAT EMEP Tabelle disaggregazione e speciazione SWIFT EMISSION MANAGER SURPRO u v w T P RH Emissioni puntuali e diffuse V d K H K V Sotto - sistema METEO Sotto - sistema EMISSIONI CHIMERE IC e BC FARM Sotto - sistema CHIMICO - TRASPORTO C ampi concentrazione V ALUTAZIONE QUALITÀ ARIA Sotto - sistema POSTPROCESSING Figura 1.1: schematizzazione del sistema modellistico Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 2

7 2. I dati utilizzati Il sistema modellistico è stato applicato ad un dominio di calcolo di 236x244 km 2 centrato sulla Regione Lombardia (figura 2.1), coperto da un grigliato di passo 4 Km e 11 livelli verticali estesi da 1 a circa 9 m di quota. La simulazione è stata condotta su base oraria per l intero anno 1. Figura 2.1: area di studio Per effettuare le simulazioni sono state fornite in ingresso al sistema modellistico le emissioni di inquinanti in atmosfera, censite o calcolate mediante l inventario regionale Inemar 8, a dettaglio comunale e per attività emissiva ( Alle province confinanti sono state attribuite le emissioni dell inventario nazionale 5 prodotto da ISPRA a livello provinciale ( Alla parte del dominio di calcolo ricadente in territorio svizzero sono state attribuite le emissioni relative alle celle EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme) da 5 x 5 km2 ( È da osservare che in nessun caso vengono contemplate le emissioni di terrigeno dovute all azione degli agenti atmosferici e non viene trattato il risollevamento delle deposizioni secche, mentre si conteggiano le emissioni dovute all usura delle parti mobili dei veicoli su strada. La preparazione per il modello delle emissioni diffuse relative al territorio in esame, ottenute integrando i diversi inventari utilizzati, ha richiesto un procedimento di disaggregazione spaziale su cella, ottenuta attraverso l uso del suolo CORINAIR. La disaggregazione temporale delle emissioni annuali è stata ottenuta considerando modulazioni mensili, giornaliere ed orarie; la speciazione dei COVNM e del particolato totali nelle classi di composti considerati dal modello fotochimico è stata ottenuta mediante profili relativi a ciascuna attività emissiva. Per la costruzione dei file meteorologici il sistema si interfaccia al Database Unico di ARPA Lombardia che raccoglie i dati delle reti di qualità dell aria, meteorologica ed idrogeologica. L input meteo viene costruito assimilando ai campi forniti dallo European Centre for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF), i dati raccolti su base oraria da un sottoinsieme di stazioni delle reti locali e dai radiosondaggi fini di Linate mediante il modello mass-consistent SWIFT wift. I parametri di turbolenza atmosferica e le velocità di deposizione degli inquinanti sono poi stimati con il processore SURFPRO. Le condizioni al contorno ed iniziali sono ricavate a partire dalle elaborazioni quotidiane fornite dal sistema Prev air (CHIMERE continentale - a 5 km di risoluzione orizzontale). Infine, ai risultati del modello sono stati integrati, tramite tecniche di data fusion (Successive Corrections Method - SCM) i dati misurati da diversi set di stazioni per la qualità dell aria, al fine di valutare l impatto di tali tecniche sul risultato modellistico soprattutto per quel che riguarda la spazializzazione del valore puntuale misurato. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 3

8 3. I campi meteorologici anno 1 L utilizzo della catena modellistica applicata sull intero anno ha fornito i dati di ingresso per il modello chimico-dispersivo sotto forma di una serie storica completa ed omogenea di variabili meteorologiche sugli oltre 3 punti della griglia in cui è stato suddivisa l area di studio. Per una sintesi delle condizioni climatiche che si sono avute nel corso dell anno 1 si rimanda al report predisposto dal Servizio Meteorologico Regionale di Arpa Lombardia ( Si è svolto un breve confronto tra alcuni parametri meteorologici primari simulati dal sistema modellistico e misurati dalle postazioni di monitoraggio al fine di evidenziare eventuali anomalie che potessero compromettere la riproduzione dei livelli di concentrazione misurati. Come indicatori di prestazione sono stati utilizzati quelli proposti dalla bibliografia internazionale specialistica in materia. Tali indicatori consentono di quantificare in modo sintetico la capacità del modello nel riprodurre sia l andamento temporale sia i valori assoluti delle variabili meteorologiche. I risultati per quanto attiene a direzione ed intensità del vento e temperatura al suolo ottenuti per ciascuna delle postazioni del set meteo individuato per questi test di confronto sono riportati nelle appendici da C.1 a C.4. L elevata incidenza di calme di vento (velocità inferiore ad 1 m/s) sull intero territorio regionale viene confermata dalle distribuzioni in classi di intensità, nelle quali si evidenzia che la maggior numerosità di casi è collocata nelle prime due classi (<1 m/s; 1-2 m/s). Si è ottenuto generalmente un buon accordo tra intensità e direzione del vento misurate e simulate, anche se si hanno alcuni casi di sottostime sistematiche, probabilmente attribuibili almeno in parte all algoritmo di interpolazione tra vettori, mentre la riproducibilità del dato per altre postazioni appare fortemente limitata dal passo di griglia del modello. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 4

9 4. I risultati La valutazione dei risultati si basa sul confronto quantitativo tra i dati di concentrazione misurati dalle postazioni di monitoraggio di qualità dell'aria ed i dati simulati estratti per la cella della griglia di calcolo in corrispondenza delle coordinate delle stazioni, sul confronto grafico tra i campi di concentrazione al suolo ottenuti per i diversi inquinanti, sull analisi della distribuzione temporale delle concentrazioni misurate e calcolate. Le postazioni della rete di qualità dell aria della Lombardia sono state scelte in base alla tipologia di stazioni, indicata dalla U.O. Qualità dell Aria, alla distribuzione geografica ed alla completezza della serie di dati 1. Si è ritenuto di focalizzare l attenzione su ozono, biossido d azoto e particolato PM1 in quanto questi sono gli inquinanti che presentano superamenti dei limiti di legge sul territorio regionale. Le prestazioni sono state valutate mediante l utilizzo di indici statistici e facendo riferimento agli obiettivi di qualità per la modellazione stabiliti dalla normativa nazionale e comunitaria. Il rispetto degli obiettivi di qualità dei dati è stato valutato confrontando il diagramma di dispersione dei valori simulati ed osservati di ogni inquinante con l intervallo di incertezza specifico fissato dalle norme. La figura 4.1 presenta le concentrazioni medie annuali 1 misurate presso le postazioni (in ascissa) e quelle estratte dalla simulazione annuale (ordinata) per la cella corrispondente. Ogni punto si riferisce ad una singola postazione; vengono inoltre presentati i risultati del modello puro e dell interpolazione tra modello e dati misurati. Il cono tratteggiato rappresenta l intervallo di qualità dei dati stabilito dalla normativa per la media su base annuale e rispettivamente pari a ±5% per il PM1, ±3% per l NO2, ±5% per l O3. Per quanto riguarda il confronto con gli obiettivi di qualità dei dati, la legislazione di riferimento è rappresentata dal D.Lgs. 13 agosto 1 n , e dal D.Lgs. 21 maggio 4 n I due decreti introducono la richiesta che le tecniche di modellazione siano validate secondo procedure documentate ed i risultati accompagnati dal loro grado di incertezza, intendendo con questa la deviazione massima dei livelli di concentrazione misurati e calcolati, nel periodo considerato, per il calcolo della pertinente soglia, a prescindere dall ordine cronologico degli episodi. Le prestazioni dei modelli sono state valutate mediante l utilizzo di indici statistici comunemente riportati nella letteratura specializzata e nei rapporti tecnici della comunità europea, tra cui quasi tutti quelli della normativa citata sopra. Essi sono stati calcolati per ogni stazione di misura per i vari inquinanti e sono riportati nelle tabelle di sintesi in appendice B. Per una più immediata interpretazione si è riportato in forma grafica in appendice A il valore annuale misurato e calcolato per ciascuna postazione considerata. Anche in questo caso sono rappresentati i confronti fra concentrazioni misurate e simulate con e senza l utilizzo delle tecniche di assimilazione per consentire di valutarne la diversa influenza in relazione alle varie postazioni. Nell elaborazione dei risultati si sono tenuti separati i seguenti tre casi: - risultati del solo modello di qualità dell aria; - risultati del modello con successiva assimilazione (SCM) dei dati misurati da un set di stazioni di qualità dell aria comprendente siti individuati come rappresentativi del fondo (rurale ed urbano); 1 Attuazione della Direttiva 8/5/CE relativa alla qualità dell aria ambiente e per un aria più pulita in Europa 2 Attuazione della Direttiva 2/3/CE relativa all ozono nell aria. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 5

10 - risultati del modello con successiva assimilazione dei dati misurati da un set di stazioni di qualità dell aria comprendente siti sia di fondo che da traffico ed industriali. Il confronto tra le concentrazioni misurate e calcolate di particolato PM1 mostra una tendenza alla sottostima dei valori medi annuali, tuttavia i risultati del modello rientrano, per tutte le postazioni nell intervallo di qualità dei dati stabilito dalla normativa (±5%). L introduzione delle tecniche di assimilazione consente di portare quasi tutti i valori attorno alla bisettrice (figura 4.1). I risultati del confronto delle medie giornaliere riferiti alle singole postazioni mostrano, in generale, un buon accordo tra i valori e gli andamenti, le correlazioni sono superiori a.7 nell oltre metà dei casi e si porta nella maggior parte dei casi oltre a.9 a seguito dell assimilazione. Come mostrano le appendici A e B, e com è da attendersi, le prestazioni del modello nel riprodurre il dato misurato decrescono per quelle postazioni fortemente influenzate da fonti di emissione locali che, pur essendo conteggiate, vengono diluite sul volume determinato dal passo di griglia. Per quanto riguarda l ozono, il confronto delle medie annuali calcolate (figura 4.1) mostra un discreto accordo con i valori misurati ed i risultati rientrano per quasi tutte le postazioni nell intervallo di qualità dei dati stabilito dalla normativa. Il confronto delle medie giornaliere delle concentrazioni misurate e calcolate (figura 4.2) mette in luce una tendenza alla sovrastima da parte del modello rispetto ai valori misurati nel periodo estivo (non così, però, per i picchi). L andamento delle concentrazioni viene ben riprodotto da parte del modello, come mostrano i coefficienti di correlazione calcolati per le varie postazioni e riportati in appendice. L accordo tra la media annuale misurata e calcolata di biossido di azoto è molto variabile fra le postazioni, tuttavia i risultati ottenuti con l utilizzo delle tecniche di interpolazione tra modello e misure rientrano quasi tutti nell intervallo di qualità (±3%) richiesto dalla normativa. L informazione sulla distribuzione spaziale delle concentrazioni è fornita dalle mappe in figura 4.3. Le mappe riportano i risultati ottenuti nel caso di assimilazione delle stazioni di background, ritenute più indicative anche ai fini della zonizzazione. E da notare che, mentre le mappe di concentrazioni di NO2, come è ovvio, evidenziano valori massimi in corrispondenza delle aree a più alta densità di traffico, la distribuzione del PM1, risentendo l emissione di questo inquinante del contributo rilevante non solo del traffico ma anche delle altre sorgenti, tra cui in particolare, gli apparecchi di riscaldamento a biomassa (stufe e caminetti), presenta i valori più elevati oltre che in prossimità di arterie stradali anche in corrispondenza alle aree più densamente abitate. L ozono presenta i valori più elevati nella fascia prealpina per la minor presenza di emissioni di ossidi di azoto. Infine, le mappe riportate in figura 4.4 riportano più in dettaglio la distribuzione spaziale su scala provinciale delle concentrazioni medie annuali di PM1, NO2 e di AOT (Accumulated Ozone Exposure over a Threshold of Parts Per Billion) per l ozono calcolate per il 1. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 6

11 7 Confronto PM 1 misurato e calcolato 1 senza assimilazione Confronto PM 1 misurato e calcolato 1 con assimilazione 7 Confronto PM 1 misurato e calcolato 1 background calcolato 3 calcolato 3 calcolato m isurato m isurato m isurato Confronto NO 2 misurato e calcolato 1 senza assimilazione Confronto NO 2 misurato e calcolato 1 con assimilazione Confronto NO 2 misurato e calcolato 1 background calcolato 3 calcolato 3 calcolato m isurato m isurato m isurato Figura 4.1: diagramma di dispersione delle concentrazioni medie annuali relative al 1 di PM 1 e NO 2 misurate e simulate, partendo da sinistra: senza tecniche di assimilazione, con tecniche di assimilazione delle stazioni di fondo e da traffico e con assimilazione delle sole stazioni di fondo. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 7

12 1 Confronto O 3 misurato e calcolato 1 senza assimilazione 1 Confronto O 3 misurato e calcolato 1 con assimilazione 1 Confronto O 3 misurato e calcolato 1 background calcolato calcolato calcolato m isurato m isurato m isurato Figura 4.1: diagramma di dispersione delle concentrazioni medie annuali relative al 1 di O 3 misurate e simulate partendo da sinistra: senza tecniche di assimilazione, con tecniche di assimilazione delle stazioni di fondo e da traffico e con assimilazione delle sole stazioni di fondo. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 8

13 1 Milano - Pascal Città Studi 1 Misurato Calcolato Calc_assimilazione Calc_background PM1 medio (µg/m 3 ) /1/1 29/1/1 26/2/1 26/3/1 23/4/1 21/5/1 18/6/1 16/7/1 13/8/1 1/9/1 8/1/1 5/11/1 3/12/1 31/12/1 18 Milano - Pascal Città Studi 1 Misurato Calcolato Calc_assimilazione Calc_background 1 NO2 medio (µg/m 3 ) /1/1 29/1/1 26/2/1 26/3/1 23/4/1 21/5/1 18/6/1 16/7/1 13/8/1 1/9/1 8/1/1 5/11/1 3/12/1 31/12/1 Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 9

14 18 Milano - Pascal Città Studi 1 Misurato Calcolato Calc_assimilazione Calc_background 1 O3 medio (µg/m 3 ) /1/1 29/1/1 26/2/1 26/3/1 23/4/1 21/5/1 18/6/1 16/7/1 13/8/1 1/9/1 8/1/1 5/11/1 3/12/1 31/12/1 Figura 4.2: confronto delle concentrazioni medie giornaliere relative al periodo 1 gennaio - 31 Dicembre 1 di PM 1, NO 2, O 3 per la postazione di Milano Pascal misurate e simulate (senza tecniche di assimilazione, con tecniche di assimilazione delle stazioni di fondo e da traffico e con assimilazione delle sole stazioni di fondo). Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 1

15 Figura 4.3: mappa delle concentrazioni medie annuali di PM1, NO2, e dell indice AOT per l ozono, simulate con modello FARM mediante assimilazione delle sole stazioni di fondo, per l'anno 1. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 11

16 BG LC MN BS L PV CO CR MB MI SO VA Figura 4.4a: mappa delle concentrazioni dell indice AOT per l ozono, simulate con modello FARM mediante assimilazione delle sole stazioni di fondo, per l'anno 1 per le province lombarde. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 12

17 BG BS CO CR LC LO MB MI MN PV SO VA Figura 4.4b: mappa delle concentrazioni medie annuali di NO2, simulate con modello FARM mediante assimilazione delle sole stazioni di fondo, per l'anno 1 per le province lombarde. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 13

18 BG BS CO CR LC LO MB MI MN PV SO VA Figura 4.4c: mappa delle concentrazioni medie annuali di PM1, simulate con modello FARM mediante assimilazione delle sole stazioni di fondo, per l'anno 1 per le province lombarde. Valutazione modellistica della Qualità dell Aria Anno 1 14