Interazioni meteorologiche caratterizzazione dispersione e modellistica diffusionale il contributo naturale

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1 Interazioni meteorologiche caratterizzazione dispersione e modellistica diffusionale il contributo naturale F. Calastrini, C. Busillo, F. Guarnieri, B. Gozzini 1 Pistoia, 30 Maggio 12

2 Le condizioni meteorologiche influenzano fortemente i fenomeni di inquinamento atmosferico. Oltre al vento, che caratterizza i fenomeni di trasporto nel piano orizzontale, ed alla pioggia, che può favorire la diminuzione delle sostanze in sospensione in atmosfera tramite dilavamento, sono importanti i fenomeni di convezione, cioè di rimescolamento delle masse d aria lungo la direzione verticale. L altezza dello strato di rimescolamento è un parametro che individua la porzione di atmosfera in cui sono importanti i moti convettivi. Si tratta dello strato più vicino al suolo, dove si accumulano i composti inquinanti. Nelle aree urbane il gradiente termico verticale subisce delle variazioni: questo fenomeno è detto isola di calore. 2

3 L Altezza di rimescolamento e l isola di calore L altezza dello strato di rimescolamento, Hmix, varia: su base giornaliera su base stagionale Le condizioni critiche per l inquinamento atmosferico si verificano quando Hmix è bassa L isola di calore costituisce un ambiente in cui il rimescolamento delle masse d aria è inibito e quindi la concentrazione degli inquinanti è più alta. 3

4 Non è possibile effettuare misure dirette dell altezza dello strato di rimescolamento, che può essere stimata tramite misure di altri parametri fisici. I principali metodi di stima si basano su misure profilometriche di temperatura, di velocità del vento, di umidità o di concentrazione di aerosol, ottenute da radiosondaggi o da sistemi di remote sensing. In alternativa, Hmix può essere ottenuta da algoritmi di calcolo implementati in modelli numerici, da semplici algoritmi che utilizzano misure a catene di modelli meteorologici ad alta risoluzione. Presso il Consorzio LAMMA è stato implementato un sistema di modelli ad alta risoluzione che prevede l utilizzo del modello globale GFS (Global Forecast System), del modello a mesoscala WRF (Weather Research and Forecasting), del modello CALMET, a una risoluzione di 2 Km. GFS 50 km WRF 12 km CALMET 2 km 4

5 Il progetto PATOS Il LAMMA, nell ambito del Progetto Regionale PATOS, ha svolto una attività di supporto per la caratterizzazione meteorologica a scala regionale. Studio per individuare i parametri meteorologici che influenzano in modo significativo i processi di formazione accumulo o dispersione del PM10. Il lavoro ha richiesto l analisi di una base dati costituita dalle misure di PM10 rilevate sull intero territorio regionale dalla rete di monitoraggio gestita da ARPAT, e dalle misure delle principali variabili meteorologiche registrate da alcune stazioni a terra, nell arco temporale compreso tra il 1 gennaio 00 ed il 31 dicembre Studio incentrato sull individuazione dei periodi critici: durante l intero periodo di campionamento, ottobre 05 settembre 06, sono stati individuati periodi critici per la dispersione degli inquinanti. I dati meteo e i risultati delle analisi dei campioni raccolti sono stati incrociati per risalire ai processi di formazione, trasporto e accumulo del particolato.

6 FIBOBOLI FIBOBOLI POSTROZZI PTMONTALE ARFIORENTINA PISANTACROCESERAO /01/04 08/01/04 15/01/04 22/01/04 29/01/04 05/02/04 12/02/04 19/02/04 26/02/04 04/03/04 11/03/04 18/03/04 25/03/04 01/04/04 08/04/04 15/04/04 22/04/04 29/04/04 06/05/04 13/05/04 /05/04 27/05/04 03/06/04 10/06/04 17/06/04 24/06/04 01/07/04 08/07/04 15/07/04 22/07/04 29/07/04 05/08/04 12/08/04 19/08/04 26/08/04 02/09/04 09/09/04 16/09/04 23/09/04 30/09/04 07/10/04 14/10/04 21/10/04 28/10/04 04/11/04 11/11/04 18/11/04 25/11/04 02/12/04 09/12/04 16/12/04 23/12/04 30/12/04 uug g /m /m PIMONTECERBOLIBIS LIMGORDATO GRviaURSS /01/04 08/01/04 15/01/04 22/01/04 29/01/04 05/02/04 12/02/04 19/02/04 26/02/04 04/03/04 11/03/04 18/03/04 25/03/04 01/04/04 08/04/04 15/04/04 22/04/04 29/04/04 06/05/04 13/05/04 /05/04 27/05/04 03/06/04 10/06/04 17/06/04 24/06/04 01/07/04 08/07/04 15/07/04 22/07/04 29/07/04 05/08/04 12/08/04 19/08/04 26/08/04 02/09/04 09/09/04 16/09/04 23/09/04 30/09/04 07/10/04 14/10/04 21/10/04 28/10/04 04/11/04 11/11/04 18/11/04 25/11/04 02/12/04 09/12/04 16/12/04 23/12/04 30/12/04 uug g /m /m Le serie storiche di PM10 L analisi delle serie storiche delle concentrazioni di PM10 registrate nelle 47 centraline, nell arco di 5 anni evidenzia tre tipologie di comportamenti: il primo tipo è caratterizzato da un forte andamento stagionale ed è relativo alle stazioni dell entroterra; entroterra; il secondo tipo mostra un andamento pressoché costante, relativo alle stazioni sulla costa; il terzo gruppo di stazioni ubicate in aree urbane in prossimità della costa mostrano un mostrano un comportamento intermedio. comportamento intermedio.

7 Le serie storiche di PM10 Si può quindi ipotizzare una marcata influenza delle condizioni meteorologiche alla scala sinottica sui valori di concentrazione di PM FIBASSI FIBOB FIMOSS FISCAN FICALE POFER POROM POSTR 04 FIBASSI FIBOB FIMOSSE FISCAN FICALENZ POFER POROMA POSTRO FI FI BASSI FI FI BOBOLI FI FI SCANDICCI FI FI CALENZANO PO FERRUCCI 7 µg/m3 1/01/04 15/01/04 29/01/04 12/02/04 26/02/04 11/03/04 25/03/04 8/04/04 22/04/04 6/05/04 /05/04 3/06/04 17/06/04 1/07/04 15/07/04 29/07/04 12/08/04 26/08/04 9/09/04 23/09/04 7/10/04 21/10/04 4/11/04 18/11/04 2/12/04 16/12/04 30/12/04

8 Gli indicatori meteorologici Sono state evidenziate le relazioni che legano i valori di concentrazione di PM10 ed alcuni parametri meteorologici: velocità del vento (media giornaliera), temperatura (media giornaliera), pioggia (cumulata su base giornaliera). Sono stati determinati i coefficienti di correlazione tra parametri meteo e misure di PM10. Sono stati individuati alcuni valori soglia per la velocità media del vento e per la pioggia cumulata su base giornaliera. La scelta dei valori soglia è stata effettuata valutando la riduzione delle condizioni di inquinamento critiche a fronte di valori degli indicatori meteorologici superiori a tali soglie. 8

9 Gli indicatori meteorologici Velocità del vento: gli episodi influenti ai fini della riduzione delle concentrazioni sono caratterizzati da un vento medio forte forte,, persistente per molte ore. Queste condizioni si verificano generalmente alla scala sinottica. Pioggia: solo gli eventi di pioggia con intensità superiore ad una determinata soglia (es. 10 mm) hanno un effetto sulle concentrazioni di PM10. Temperatura: nel gruppo di stazioni dell entroterra entroterra si registrano valori di concentrazione più alti nel semestre freddo rispetto ai valori registrati nel semestre stre caldo, mentre nel gruppo di stazioni localizzate sulla costa si evidenzia un andamento delle concentrazioni correlato con quello delle temperature. Su base stagionale, per le stazioni del primo gruppo esiste una marcata anticorrelazione durante il semestre freddo ed una correlazione nel semestre caldo. Cause: emissioni da riscaldamento; condizioni stabili, favorevoli all accumulo accumulo degli inquinanti. La correlazione nel semestre caldo potrebbe riguardare i meccanismi di formazione e del particolato di origine secondaria. 9

10 10 Episodi invernali Durante il periodo invernale si sono verificate condizioni favorevoli all accumulo accumulo degli inquinanti. Le 5 centraline dell entroterra entroterra hanno registrato valori superiori alla soglia di 50 µg/m3. Nei periodi segnalati i venti sono stati di bassa intensità,, al di sotto del valore medio, la pioggia assente o molto scarsa, le temperature medie generalmente ente molto basse: l insieme di queste condizioni hanno limitato la circolazione, aumentato nelle aree urbane il fenomeno dell isola di calore e quindi favorito il ristagno delle sostanze inquinanti. data FI BASSI PO STROZZI PT MONTALE AR FIOREN. LU CAPANNOLI MGORD. GR URSS 19/12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /01/ /01/ /01/ /02/ /02/ /02/

11 Variabilità stagionale Nelle stagioni fredde le condizioni meteorologiche di stabilità atmosferica favoriscono l accumulo di inquinanti al suolo; inoltre nelle aree urbane alle emissioni dovute al traffico veicolare si aggiungono quelle degli impianti di riscaldamento. In questo periodo si registrano valori più elevati dei composti organici del carbonio e dei nitrati, riconducibili prevalentemente a sorgenti locali. Nel semestre caldo la maggiore diffusività atmosferica e l irraggiamento solare, che rende più efficienti le reazioni fotochimiche, favoriscono la formazione e la distribuzione di inquinanti secondari. I solfati, prodotti prevalentemente da fonti localizzate di SO2 (impianti termo elettrici per la produzione di energia), subiscono una veloce 11 distribuzione sul territorio regionale.

12 PM10 (ug/m 2) episodio sabbia del deserto 10/06/06 12/06/06 14/06/06 16/06/06 18/06/06 /06/06 22/06/06 24/06/06 26/06/06 28/06/06 30/06/06 02/07/06 04/07/06 06/07/06 08/07/06 10/07/06 FI BASSI PO STROZZI PT MONTALE AR FIORENTINA LU CAPANNORI LI MAUROGORDATO GR URSS Episodi di trasporto di polvere del deserto Nell ultima decade di giugno 06 in tutte le centraline si è verificato un anomalo innalzamento dei valori di concentrazione, che in molti casi ha portato al superamento del valore soglia. L analisi chimico fisica ha permesso di stimate l impatto sulle concentrazioni al suolo: la componente crostale ha raggiunto valori fino a circa 25 µg/m3. In questi giorni i venti sono stati deboli, le precipitazioni assenti e le temperature medie molto alte. data FI BASSI POSTROZZI PT MONTALE ARFIOREN. LUCAPANNOLI MGORD. GR URSS /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/

13 Le intrusioni di polvere sahariana nel bacino del Mediterraneo possono provocare un anomalo innalzamento dei valori di concentrazione del PM10, e in alcuni casi contribuire al superamento dei valori limite previsti dalla normativa. Nel caso in cui i superamenti siano causati da contributi naturali, questi possono venire detratti. E importante identificare questo contributo che ha un impatto non del tutto trascurabile anche sul territorio regionale toscano. Il sistema modellistico RAMS DUSTEM CAMX è stato sviluppato per ricostruire le dinamiche evolutive dell inquinamento da polvere del deserto. Il sistema è stato utilizzato, insieme alle misure chimico fisiche dei campioni, per l identificazione del contributo sahariano al PM TRASPORTO DI POLVERE SAHARIANA

14 RAMS DUSTEM CAMx E stato implementato sistema Sono stati analizzati i risultati relativi alle concentrazioni e alle deposizioni del particolato con diametro aerodinamico compreso tra 1 µm e µm. 14 modellistico per la ricostruzione delle dinamiche evolutive della polvere minerale proveniente dal deserto. La catena modellistica si basa sulle stime prodotte dal modello prognostico RAMS (campi meteorologici) e dal modello emissivo DUSTEM (emissioni di polvere minerale delle aree desertiche), che rappresentano gli input al modello CAMx, con cui viene simulato il trasporto e la deposizione della polvere del deserto.

15 15 GOCART

16 16 GOCART

17 17 GOCART

18 18 9/6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ (mg/m2) MODEL Total Column Concentration (mg/m2) 15/6/ /6/ Aeronet data (AOT_10 lev 2.0) 13/6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ AOT 0.5 (mg/m2) Aeronet data (AOT_10 lev 2.0) 2/6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ Dati 26/6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ /6/ AOT 0.7 3/6/ /6/ /6/ Confronto stime misure AERONET AVIGNON MODEL Total Column Concentration (mg/m2) ROME TOR VERGATA

19 19 Confronto stime misure Sono state prese in esame le misure su base giornaliera di PM10 effettuate dal 15 al 28 giugno nei tre siti, Firenze, Grosseto, Lucca. Oltre alle misure gravimetriche, i gruppi di FLORENCE ricerca di di Fisica (Prof. Lucarelli) e di Chimica (Prof. Udisti) dell Università di Firenze 30 dust-camx 40 hanno utilizzato specifiche tecniche di analisi (es. tecnica PIXE, Particle Iduced X ray CRU10 Emission) per rivelare gli elementi caratteristici della componente crostale 15 (Na, Mg, Al, Si, 10 5 K, Ca, Ti, Mn, Fe, Sr, Zr). Questi elementi possono essere utilizzati come indicatori nella quantificazione dell impatto dovuto al trasporto di polvere sahariana. L analisi del cambiamento nei rapporti elementali permette di distinguere fra polvere crostale locale e LUCCA polvere desertica trasportata. dust-camx 30 dust-camx 30 Una volta identificato 40 il periodo interessato dall episodio 40 di trasporto di polvere sahariana CRU10 ug/m3 dust-camx tramite l analisi dei rapporti elementali, 15 è stato stimato il contributo assoluto 15 (in µg/m3 ) al PM10 derivante dalla frazione crostale. Le stime modellistiche della polvere sahariana 0 sono riferite alla frazione 1 µm (dust CAMx), mentre la stima della componente crostale 01/06/06 04/06/06 07/06/06 10/06/06 13/06/06 16/06/06 19/06/06 22/06/06 25/06/06 28/06/ ug/m3 CRU10 CRU10 del PM10 misurato è riferita sia al contributo locale che sahariano (CRU10). ug/m3 dust-camx ug/m3 dust-camx 01/06/06 03/06/06 05/06/06 07/06/06 09/06/06 11/06/06 13/06/06 15/06/06 17/06/06 19/06/06 21/06/06 23/06/06 25/06/06 27/06/06 29/06/ /06/06 04/06/06 GROSSETO 07/06/06 10/06/06 13/06/06 16/06/06 19/06/06 22/06/06 25/06/06 28/06/ ug/m3 CRU10 ug/m3 CRU10

20 Confronto stime misure Il confronto stime misure evidenzia un sostanziale buon accordo, con l individuazione dei periodi caratterizzati da concentrazioni alte e della significativa diminuzione del giugno. Tuttavia, il modello in alcuni casi può sottostimare o sovrastimare. Una possibile spiegazione potrebbe riguardare la valutazione quantitativa dell altezza di rimescolamento che, nel caso dei siti dell entroterra potrebbe essere sovrastimata nel primo periodo (16 19 giugno), mentre nel sito costiero potrebbe essere sempre sottostimata, limitando così l ingresso delle polveri trasportate sopra il boundary layer. In prospettiva, il sistema modellistico potrebbe essere affinato introducendo una griglia di calcolo ad una risoluzione più alta solo nell area target, ad esempio sull Italia centrale. In questo modo potremmo ottenere una descrizione più dettagliata delle intrusioni di polvere sahariana nello strato più vicino al suolo.

21 Conclusioni Gli episodi acuti di inquinamento da polveri si verificano prevalentemente nel periodo invernale. Le condizioni meteorologiche di stabilità atmosferica, l assenza l di venti forti o di pioggia favoriscono l accumulo l di inquinanti al suolo. Nelle aree urbane il fenomeno isola di calore aumenta ulteriormente la criticità; inoltre alle emissioni dovute al traffico veicolare si aggiungono o quelle degli impianti di riscaldamento. Nel semestre caldo gli occasionali superamenti dei valori limite sono in generale riconducibili a episodi di trasporto di polvere del deserto. 21

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