4.4. Definizione del quadro meteorologico di riferimento rappresentativo

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1 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag Definizione del quadro meteorologico di riferimento rappresentativo Il fattore principale per la scelta dei dati da utilizzare ai fini dell analisi modellistica diffusionale è stato la necessità di utilizzare un modello in modalità climatologica (v. cap. 2). Questo ha richiesto la presenza di una mole notevole di dati che coprissero un periodo di tempo sufficientemente lungo da dare significatività al tipo di analisi condotta. In base a questo criterio è stato possibile individuare un primo gruppo di stazioni meteorologiche sulla base della dimensione dell archivio di dati a disposizione: stazione di Case Passerini (circa 5 anni e mezzo di dati); stazione delle Cascine (6 anni); stazione dell Osservatorio Ximeniano (9 anni di dati); stazione di Peretola (circa 11 anni). Sulla base di ulteriori considerazioni sono state escluse le stazioni di Peretola, Monte Morello e Cascine. I dati relativi alla prima, infatti, pur coprendo un arco temporale molto ampio, risultano piuttosto incompleti e rischiano, quindi, di essere poco rappresentativi. Inoltre resta il problema di avere dati tri-orari anziché orari. La stazione di Monte Morello è risultata essere scarsamente rappresentativa del sito analizzato, essendo essa in quota. Per la stazione delle Cascine, invece, la principale difficoltà resta la scarsa rappresentatività delle misure anemometriche, essendo esse alla quota di soli tre metri dal suolo. La scelta finale è quindi ricaduta sulla stazione di Case Passerini per la quale vi è anche il vantaggio della notevole vicinanza con l area baricentrica del sito di interesse. Infatti i parametri più importanti per lo studio diffusionale risultano essere velocità e direzione del vento, seguiti da classe di stabilità, altezza dello strato di mescolamento e temperatura (v. paragrafi successivi). Per i primi due, in particolare, è emersa una notevole variabilità da sito a sito, data l influenza sia dei metodi di calcolo ed archiviazione (e su questi poco può influire la nostra scelta non essendo questo il luogo adatto per la validazione dei dati meteorologici forniti da enti diversi), sia, soprattutto, dalla posizione geografica della stazione. Per quest ultimo motivo la scelta di una stazione più vicina possibile al luogo di interesse appare più che mai sensata. I parametri a nostra disposizione risultano essere quindi: temperatura, velocità del vento, direzione del vento prevalente e radiazione globale. Questi non risultano però sufficienti per l analisi climatologica che ci accingiamo a fare. Per il calcolo di parametri necessari allo studio diffusionale, quali la classe di stabilità e l altezza di mescolamento, risulta necessario avere anche dati relativi a radiazione netta e pressione (v. paragrafi successivi). Vista l analisi di confronto effettuata nel paragrafo 4.3, si è ritenuto lecito utilizzare, per queste due variabili, i dati relativi all Osservatorio Ximeniano. Radiazione netta e pressione, infatti, sono risultate poco influenzate dalla posizione geografica, perlomeno relativamente alle stazioni posizionate nella piana, e gli archivi delle diverse centraline di rilevamento mostrano poche differenze. Questo ha portato ad una riduzione dei dati utilizzabili, visto che gli archivi dello Ximeniano risultano disponibili solo dal 1/1/1994. In definitiva l analisi climatologica è stata svolta su un periodo che va dal 1/1/1994 al 31/12/1997.

2 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag Le classi di stabilità La classe di stabilità è un indicatore qualitativo dell intensità della turbolenza atmosferica che influenza notevolmente la capacità di dispersione degli inquinanti del mezzo atmosferico. La classificazione più comune, detta di Pasquill-Gifford, considera sei possibili condizioni: classe A o fortemente instabile; classe B o moderatamente instabile; classe C o debolmente instabile; classe D o neutra; classe E o debolmente stabile; classe F o moderatamente stabile. Un primo metodo per l attribuzione della classe di stabilità deriva dall analisi del gradiente di temperatura, come visualizzato in tabella 4.37 [6] [7]. Classe di stabilità Gradiente di temperatura [ C/m] A < -0,019 B -0,019-0,017 C -0,017-0,015 D -0,015-0,005 E -0,005 0,015 F > 0,015 Tabella Stima della stabilità mediante il gradiente di temperatura. Altri metodi, più o meno empirici, utilizzano il parametro detto lunghezza di Monin-Obukhov, L, dipendente dalle caratteristiche meccaniche e convettive (termiche) della turbolenza atmosferica. In tabella 4.38 è visualizzato un metodo che utilizza tale parametro [8]. Classe di stabilità L [m -1 ] A, B < C D E F > 10-1 Tabella Stima della stabilità mediante L. In figura 4.13 è poi riportato un diagramma che illustra un metodo empirico utilizzante la lunghezza di Monin-Obukhov e la rugosità superficiale z 0 [6].

3 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 133 Figura Diagramma per la stima della stabilità. Altri algoritmi prevedono la stima della classe di stabilità sulla base dell intensità del vento, della radiazione solare e della copertura nuvolosa. Nelle tabelle 4.39 e 4.40 è riassunto il metodo utilizzato dal modello CALMET [6]. Giorno Incl. sole [ ] Notte Copertura nuvolosa e altezza delle nuvole Basse Medie Alte Basse Medie Alte < > Basse Medie Alte Tabella Determinazione dell indice di insolazione secondo il metodo usato da CALMET.

4 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 134 Indice di insol. Classi di velocità del vento [nodi] >11 1 F F F F F F E E E E D D 2 F F F E E E D D D D D D 3 D D D D D D D D D D D D 4 C C C D D D D D D D D D 5 B B B C C C C C C D D D 6 A B B B B B B C C C C D 7 A A A A A B B B B C C C Tabella Determinazione della classe di stabilità secondo il metodo usato da CALMET. Il metodo precedente è un evoluzione del classico metodo di Pasquill-Turner, visualizzato in tabella 4.41 [9]. Velocità del vento a 10m Irraggiamento solare Frazione di copertura notturna [m/s] > 700 W/m 2 intermedio < 350 W/m 2 1/2 3/8 <2 A A-B B A-B B C E F 3 5 B B-C C D E 5 6 C C-D D D D >6 C D D D D Tabella Determinazione delle classi di stabilità secondo il metodo di Pasquill-Turner. L approccio utilizzato dall ARPAT per il calcolo della classe di stabilità (v. tabella 4.42) è molto simile ai precedenti [4]. radiazione (W/m 2 ) velocità del vento, VVP (m/s) RT globale, RN netta V<2 2 V<3 3 V<4 4 V<5 5 V<6 V 6 RT 700 A A B B C C NOTTE GIORNO 540 RT<700 A B B B C C 400 RT<540 B B B C C D 270 RT<400 B B C C C D 140 RT<270 C C C D D D RT<140 D D D D D D RN -20 D D D D D D -40 RN<-20 F E D D D D RN<-40 F F E E D D Tabella Metodo utilizzato da ARPAT per il calcolo della classe di stabilità.

5 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 135 Vista la complessità di reperimento e stima di dati quali il profilo verticale di temperatura e la lunghezza di Monin-Obukhov, si è optato per l utilizzo di quest ultima metodologia, visti anche i dati disponibili. In tabella 4.43 e in figura 4.14, è riportata la distribuzione statistica delle classi di stabilità calcolate nel periodo preso in esame. Classe di stabilità Frequenza A 6.7% B 11.3% C 12.1% D 28.1% E 5.5% F 36.4% Tabella Distribuzione delle classi di stabilità calcolate. 40.0% 35.0% 30.0% Frequenza [%] 25.0% 20.0% 15.0% 10.0% 5.0% 0.0% A B C D E F Classe di stabilità Figura Distribuzione delle classi di stabilità calcolate. Come si vede dalla tabella e dal grafico, si nota un netta prevalenza delle condizioni di moderata stabilità (F, condizione notturna) e neutralità (D, condizione prevalentemente diurna) Calcolo delle JFF Una volta stimata la classe di stabilità per ogni registrazione, è necessario ricavare le Joint Frequency Functions (JFF) per l applicazione del modello in modalità climatologica. È necessario cioè suddividere i dati in varie classi, considerando, oltre alle sei classi di stabilità, delle classi di velocità del vento e delle classi di direzione prevalente del vento, assegnando ad ogni classe una frequenza di accadimento, in modo da ricavare una

6 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 136 relazione tra le concentrazioni calcolate e le frequenze con cui queste si verificano durante l anno [5]. La suddivisione delle classi di velocità del vento è visualizzata in tabella Si hanno quindi 6 classi di velocità in tutto. Come per l analisi statistica la condizione di calma di vento è stata posta arbitrariamente per le velocità inferiori a 0,5 m/s. Classe Velocità del vento 0 Calma di vento 1 Fino a 2 m/s 2 Da 2 a 3 m/s 3 Da 3 a 4 m/s 4 Da 4 a 6 m/s 5 Oltre 6 m/s Tabella Classi di velocità del vento. Per le classi di direzione del vento si è optato per 16 classi (N, NNE, NE, ENE, E, ESE, SE, SSE, S, SSO, SO, OSO, O, ONO, NO, NNO), con settori di ampiezza pari a 22,5. In tutto si hanno quindi 6x6x16=576 classi climatologiche. Fra queste ce ne sono alcune che non si verificano mai (ad esempio classe di stabilità A con alta velocità del vento) e quindi alla fine le classi realmente considerate nell analisi sono state 416 (v. tabelle ). Nelle tabelle successive sono visualizzate le JFF per le varie classi climatologiche. A calma < >6 totale calma N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSO SO OSO O ONO NO NNO totale Tabella JFF per la classe di stabilità A (fortemente instabile).

7 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 137 B calma < >6 totale calma N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSO SO OSO O ONO NO NNO totale Tabella JFF per la classe di stabilità B (moderatamente instabile). C calma < >6 totale calma N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSO SO OSO O ONO NO NNO totale Tabella JFF per la classe di stabilità C (debolmente instabile).

8 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 138 D calma < >6 totale calma N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSO SO OSO O ONO NO NNO totale Tabella JFF per la classe di stabilità D (neutra). E calma < >6 totale calma 0 0 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSO SO OSO O ONO NO NNO totale Tabella JFF per la classe di stabilità E (debolmente stabile).

9 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 139 F calma < >6 totale calma N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSO SO OSO O ONO NO NNO totale Tabella JFF per la classe di stabilità F (moderatamente stabile). L ultimo passaggio per la predisposizione dei dati meteorologici al fine dell utilizzo nel modello diffusionale, consiste nell assegnare dei valori tipici di temperatura ed altezza di mescolamento per ogni classe climatologica. Per il primo parametro si sono utilizzati i dati di base scegliendo per ogni classe climatologica il valore medio di temperatura (v. tabella 4.51). Per il secondo, in mancanza di dati misurati, si è dovuto ricorrere ad un altra stima. A tale scopo è stato utilizzato il pre-processore meteorologico PC-RAMMET [10] che provvede alla stima dell altezza di mescolamento partendo dai dati orari di vento, temperatura, pressione, radiazione globale e netta. I risultati (con l altezza media approssimata alla decina di metri) sono visualizzati in tabella 4.52.

10 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 140 Classe Climatologica Tmed Tmin Tmax Cl.Stabilità A Cl.Vento 0: Cl.Stabilità A Cl.Vento 1: Cl.Stabilità A Cl.Vento 2: Cl.Stabilità B Cl.Vento 0: Cl.Stabilità B Cl.Vento 1: Cl.Stabilità B Cl.Vento 2: Cl.Stabilità B Cl.Vento 3: Cl.Stabilità B Cl.Vento 4: Cl.Stabilità C Cl.Vento 0: Cl.Stabilità C Cl.Vento 1: Cl.Stabilità C Cl.Vento 2: Cl.Stabilità C Cl.Vento 3: Cl.Stabilità C Cl.Vento 4: Cl.Stabilità C Cl.Vento 5: Cl.Stabilità D Cl.Vento 0: Cl.Stabilità D Cl.Vento 1: Cl.Stabilità D Cl.Vento 2: Cl.Stabilità D Cl.Vento 3: Cl.Stabilità D Cl.Vento 4: Cl.Stabilità D Cl.Vento 5: Cl.Stabilità E Cl.Vento 2: Cl.Stabilità E Cl.Vento 3: Cl.Stabilità E Cl.Vento 4: Cl.Stabilità F Cl.Vento 0: Cl.Stabilità F Cl.Vento 1: Cl.Stabilità F Cl.Vento 2: Tabella Temperature [ C] tipiche per ogni classe climatologica.

11 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag. 141 Classe Climatologica Hmed Hmin Hmax Cl.Stabilità A Cl.Vento 0: Cl.Stabilità A Cl.Vento 1: Cl.Stabilità A Cl.Vento 2: Cl.Stabilità B Cl.Vento 0: Cl.Stabilità B Cl.Vento 1: Cl.Stabilità B Cl.Vento 2: Cl.Stabilità B Cl.Vento 3: Cl.Stabilità B Cl.Vento 4: Cl.Stabilità C Cl.Vento 0: Cl.Stabilità C Cl.Vento 1: Cl.Stabilità C Cl.Vento 2: Cl.Stabilità C Cl.Vento 3: Cl.Stabilità C Cl.Vento 4: Cl.Stabilità C Cl.Vento 5: Cl.Stabilità D Cl.Vento 0: Cl.Stabilità D Cl.Vento 1: Cl.Stabilità D Cl.Vento 2: Cl.Stabilità D Cl.Vento 3: Cl.Stabilità D Cl.Vento 4: Cl.Stabilità D Cl.Vento 5: Cl.Stabilità E Cl.Vento 2: Cl.Stabilità E Cl.Vento 3: Cl.Stabilità E Cl.Vento 4: Cl.Stabilità F Cl.Vento 0: Cl.Stabilità F Cl.Vento 1: Cl.Stabilità F Cl.Vento 2: Tabella Altezze di mescolamento [m] tipiche per ogni classe climatologica.

12 Capitolo 4 Caratterizzazione meteorologica dell area pag Bibliografia [1] W.M.O., Guide to meteorological instruments and methods of observation, fifth edition, n 8, Geneva, [2] ENEL-DCO, Specifica tecnica ST-115: sistema chimico e meteorologico per il rilevamento della qualità dell'aria attorno alle centrali termoelettriche, revisione 3, ottobre [3] Regione Lombardia - Settore Ambiente Ecologia, Criteri generali per la realizzazione e gestione operativa della rete regionale di rilevamento dell'inquinamento atmosferico, revisione III, ottobre [4] ARPAT, Rete meteorologica di monitoraggio della provincia di Firenze; stazioni, sensori, grandezze elaborate, attività di controllo e manutenzione, ARPAT, Dipartimento provinciale di Firenze, U.O. Fisica Ambientale, Sezione Regionale di Modellistica, Climatologia e Meteorologia, [5] G. Finzi, G. Brusasca, La qualità dell aria, modelli revisionali e gestionali, Masson, Milano, [6] G. Finzi, G. Pirovano, M. Volta, Gestione della qualità dell aria; modelli di simulazione e previsione, ed McGraw-Hill, Milano, [7] K. Wark, C. Warner, W. Davis, Air pollution, its origin and control, ed. Addison- Wesley, Menlo Park, CA (USA), [8] J. Senfeld, S. Pandis, Atmospheric chemistry and physics, A. Wiley Interscience Publication, USA, [9] R. Bona, D. Sordelli, Il controllo delle emissioni atmosferiche da impianti industriali; misura e abbattimento, ed. FrancoAngeli, Milano, [10] U.S. EPA, PCRAMMET User s Guide, Office of Air Quality Planning and Standards, Emissions, Monitoring and Analysis Division, Research Triangle Park, NC, USA, 1999.